JP4400037B2

JP4400037B2 - Magnetic random access memory and manufacturing method thereof

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Publication number: JP4400037B2
Application number: JP2002317527A
Authority: JP
Inventors: 久雄松寺; 哲広鈴木
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2022-10-31
Also published as: US7068536B2; JP2004153070A; WO2004040651A1; US20050002229A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，磁気ランダムアクセスメモリに関し，特に，トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果）を示す磁気トンネル接合（ＭＴＪ）をメモリセルとして利用する磁気ランダムアクセスメモリに関する。
【０００２】
【従来の技術】
２つの強磁性体層と，これらの強磁性体層に挟まれたトンネル障壁層（トンネル絶縁層）とで構成される磁気トンネル接合（ＭＴＪ）は，該強磁性体層の磁化の相対方向に依存して，その抵抗が大きく変化する。このような現象は，トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果）と呼ばれる。磁気トンネル接合の抵抗を検出することにより，強磁性体層の磁化の方向を判別することが可能である。
【０００３】
このような磁気トンネル接合の性質を利用して，磁気トンネル接合を含む磁気抵抗デバイスは，不揮発的にデータを保持する磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に適用される。このようなＭＲＡＭは，それぞれにＭＴＪを含むメモリセルが行列に配置されて構成される。ＭＴＪに含まれる２つの強磁性体層のうちの一方の強磁性層（固定強磁性層と呼ばれる）の磁化は固定され，他方の強磁性層（自由強磁性層と呼ばれる）は，その磁化が反転可能に設けられる。データは，自由強磁性層の磁化の方向として記憶される。データの書き込みは，磁気トンネル接合の近傍に電流を流し，該電流が発生する磁界によって自由強磁性層の磁化を反転することによって行われる。データの読み出しは，ＴＭＲ効果を利用して自由強磁性層の磁化の向きを検出することによって行われる。
【０００４】
ＭＲＡＭは，データの書き込み（即ち，磁化の反転）を小さな電流で実現することが望まれる一方，データ保持を安定化するためには，自由強磁性層の磁化の方向が熱的外乱に対して安定であることが望まれる。しかし，一般には，これらは互いに相反する。例えば，自由強磁性層の保磁力を小さくする，即ち，自由強磁性層の異方性磁界を小さくすれば，小さな電流で磁化を反転することができる。しかし，異方性磁界の減少は，一般には，自由強磁性層の磁化を反転させるエネルギーバリアの低減を伴う。したがって，異方性磁界を減少すると，ＭＲＡＭデータ保持の安定性が悪くなる。
【０００５】
特許文献１は，書き込み電流の低減とデータ保持の安定化とを同時に実現するＭＲＡＭを開示している。公知のそのＭＲＡＭは，図１３に示されているように，磁気メモリ素子１０１ａを備えている。磁気メモリ素子１０１ａは，第２配線層１２８と，絶縁層１２７と，反強磁性層１１１と，第１強磁性層（固定強磁性層）１１２と，絶縁層１１３と，第２強磁性層（自由強磁性層）１１４と，配線層１１５と，第３強磁性層１１６とを備えている。固定強磁性層１１２は，強磁性層１２０，１２２と，それらに挟まれた金属層１２１とで構成されている。図１４に示されているように，配線層１１５は，基板と平行に延設されている。
【０００６】
図１３に示されたＭＲＡＭは，データの書き込みを，配線層１１５に基板と平行な方向に書き込み電流を流すことによって行う。配線層１１５に書き込み電流が流されると，第２強磁性層１１４と第３強磁性層１１６とに磁界が印加され，第２強磁性層１１４と第３強磁性層１１６との磁化が反転される。第２強磁性層１１４と第３強磁性層１１６とに印加される磁界の向きは逆であるため，第２強磁性層１１４と第３強磁性層１１６との磁化の向きは逆である。第２強磁性層１１４及び第３強磁性層１１６と，書き込み電流が流される配線層１１５との距離が近いため，少ない電流で磁化の反転が可能である。一方，書き込み電流が流されていないときにも，第２強磁性層１１４と第３強磁性層１１６とは，磁化の向きが逆であるために静磁的に結合されるため，第２強磁性層１１４と第３強磁性層１１６との磁化の向きは外乱に対して安定化される。特許文献１に開示された技術と同様の技術が，特許文献２に開示されている。
【０００７】
書き込み動作が行われていないときの第２強磁性層１１４と第３強磁性層１１６との磁化の向きを安定化するためには，第２強磁性層１１４と第３強磁性層１１６との距離は近いことが好適である。第２強磁性層１１４と第３強磁性層１１６との距離を近くすることは，配線層１１５の厚さを薄くすることによって達成され得る。しかし，配線層１１５の厚さを薄くすることは，書き込み電流が流れる経路の抵抗を増大させる。書き込み電流が流れる経路の抵抗の増大は，消費電力，及び遅延時間を増加させるため好ましくない。
【０００８】
非書き込み動作時の自由強磁性層の磁化の向きを一層に安定化しながら，書き込み電流が流れる経路の抵抗を小さくできることが望まれる。
【０００９】
【特許文献１】
米国特許第６，３９６，７３５号明細書
【特許文献２】
米国特許第６，２５２，７９６号明細書
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は，非書き込み動作時の自由強磁性層の磁化の向きを安定化しつつ，書き込み電流が流れる経路の抵抗を小さくすることを可能にするＭＲＡＭを提供することにある。
本発明の他の目的は，一層に小さい書き込み電流で書き込みが可能なＭＲＡＭを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
以下に，［発明の実施の形態］で使用される番号・符号を用いて，課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は，［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］の記載との対応関係を明らかにするために付加されている。但し，付加された番号・符号は，［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１２】
本発明によるＭＲＡＭは，基板（１）と，基板（１）の上方に形成されたＭＴＪ素子（１０）と，基板（１）の上方に形成された第１配線（１１，２１）と，基板（１）の上方に形成された第２配線（１２，２２）とを備えている。ＭＴＪ素子（１０）は，固定された固定磁化を有する固定強磁性層（６）と，自由強磁性積層体（８）と，固定強磁性層（６）と自由強磁性積層体（８）との間に介設されたトンネル障壁層（７）とを含む。自由強磁性積層体（８）は，トンネル障壁層（７）に接合して設けられ，反転可能な第１磁化を有する第１強磁性層（８ａ）と，反転可能であり，第１強磁性層（８ａ）の磁化と反対方向を向く磁化を有する第２強磁性層（８ｃ）と，第１強磁性層（８ａ）と第２強磁性層（８ｃ）との間に挟まれ，第１強磁性層（８ａ）及び第２強磁性層（８ｃ）よりもシート抵抗が低い非磁性導電層（８ｂ）とを備えている。第１配線（１１，２１）と第２配線（１２，２２）とのうちの一方は，第１強磁性層（８ａ）と第２強磁性層（８ｂ）との磁化を反転させる書き込み電流を自由強磁性積層体（８）に供給し，他方は，供給された書き込み電流を，自由強磁性積層体（８）から受け取る。非磁性導電層（８ｂ）の膜厚と第１配線（１１，２１）と第２配線（１２，２２）とのうちの少なくとも一方，好ましくは両方の膜厚とは異なり，非磁性導電層（８ｂ）は相対的に薄く，第１配線（１１，２１）と第２配線（１２，２２）とのうちの少なくとも一方（又は両方）の膜厚は，相対的に厚くされる。非磁性導電層（８ｂ）の膜厚が相対的に薄くされることにより，第１強磁性層（８ａ）と第２強磁性層（８ｃ）との磁気的結合が強くなる。これにより，第１強磁性層（８ａ）と第２強磁性層（８ｃ）の磁化の方向が安定化され，熱的外乱に対するデータ保持の安定性が向上する。更に，第１配線（１１，２１）と第２配線（１２，２２）との膜厚が相対的に厚くされ，これにより，書き込み電流が流れる経路の抵抗が減少されている。
【００１３】
当該ＭＲＡＭは，第１配線（２１）が，自由強磁性積層体（８）の第１側面から書き込み電流を自由強磁性積層体（８）に供給し，第２配線（２２）が，自由強磁性積層体（８）の第２側面から前記書き込み電流を受け取る様に構成されることが可能である。
【００１４】
本発明によるＭＲＡＭは，基板（１）と，基板（１）の上方に形成されたＭＴＪ素子（１０）と，基板（１）の上方に形成された第１配線（１１）と，基板（１）の上方に形成された第２配線（１２）とを備えている。ＭＴＪ素子（１０）は，固定された固定磁化を有する固定強磁性層（６）と，自由強磁性積層体（８）と，固定強磁性層（６）と自由強磁性積層体（８）との間に介設されたトンネル障壁層（７）とを含む。自由強磁性積層体（８）は，トンネル障壁層（７）に接合して設けられ，反転可能な第１磁化を有する第１強磁性層（８ａ）と，反転可能であり，第１磁化と反対方向を向く第２磁化を有する第２強磁性層（８ｃ）と，第１強磁性層（８ａ）と第２強磁性層（８ｃ）との間に挟まれ，第１強磁性層（８ａ）及び第２強磁性層よりもシート抵抗が低い非磁性導電層（８ｂ）とを備えている。第１配線（１１）は，自由強磁性積層体（８）の，トンネル障壁層（７）と反対側にある電流供給面（８ｅ）を介して書き込み電流を非磁性導電層（８ｂ）に供給し，書き込み電流は，電流供給面（８ｅ）を介して非磁性導電層（８ｂ）から第２配線（１２）に流れ込む。このようなＭＲＡＭは，非磁性導電層（８ｂ），第１配線（１１），及び第２配線（１２）との膜厚を独立に設計可能である。したがって，当該ＭＲＡＭは，非磁性導電層（８ｂ）の膜厚を相対的に薄く，第１配線（１１，２１）と第２配線（１２，２２）との膜厚が相対的に厚いように形成可能である。これは，第１強磁性層（８ａ）と第２強磁性層（８ｃ）との磁気的結合を強くして熱的外乱に対するデータ保持の安定性を向上し，且つ，書き込み電流が流れる経路の抵抗を減少できる点で好適である。
【００１５】
当該ＭＲＡＭは，自由強磁性積層体（８）の上面の全体を被覆する局所配線層（１８）を備え，第１配線（１１）及び第２配線（１２）が，局所配線層（１８）の上に形成され，局所配線層（１８）のシート抵抗は，非磁性導電層（８ｂ），第１強磁性層（８ａ），及び第２強磁性層（８ｃ）のシート抵抗よりも高くなるように構成されることが好適である。
【００１６】
当該ＭＲＡＭは，第１配線（１１）と第２配線（１２）との間に介設された酸化領域（１９）を備え，第１配線（１１）と第２配線（１２）と酸化領域（１９）とは，自由強磁性積層体（８）の上面（８ｅ）に直接に接合され，第１配線（１１）及び第２配線（１２）は，同一の導電材料で形成され，酸化領域（１９）は，導電材料の酸化物で形成され，第１配線（１１），第２配線（１２），及び酸化領域（１９）とで形成される構造体は，自由強磁性積層体（８）の上面（８ｅ）の全体を被覆することが好適である。
【００１７】
第１強磁性層（８ａ）及び第２強磁性層（８ｃ）の磁化を反転する書き込み電流が流れる方向は，自由強磁性積層体（８）の上面（８ｅ）に垂直な垂直方向からみたとき，第１強磁性層（８ａ）及び第２強磁性層（８ｃ）の第２磁化の方向に対して斜めであることが好適である。
【００１８】
更に好適には，該書き込み電流が流れる方向は，該垂直方向からみたとき，第１強磁性層（８ａ）及び第２強磁性層（８ｃ）の保磁力を最も小さくする磁界の方向と実質的に垂直であることが好適である。
【００１９】
第１強磁性層（８ａ）及び第２強磁性層（８ｃ）の磁化の大きさをそれぞれＭ_１，Ｍ_２とし，第１強磁性層（８ａ）及び第２強磁性層（８ｃ）の体積をそれぞれＶ_１，Ｖ_２としたとき，第１強磁性層（８ａ）と第２強磁性層（８ｃ）とは，下記式：
Ｍ_１・Ｖ_１＝Ｍ_２・Ｖ_２，
を成立させるように形成されていることが好適である。このような条件は，前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層の平面形状を，実質的に同一にし，第１強磁性層（８ａ）及び第２強磁性層（８ｃ）の磁化Ｍ_１，Ｍ_２とを実質的に同一にし，第１強磁性層（８ａ）及び第２強磁性層（８ｃ）の厚さ（ｔ_１，ｔ_２）を，実質的に同一にすることによって満足し得る。
【００２０】
また，当該ＭＲＡＭは，第１強磁性層（８ａ）及び第２強磁性層（８ｃ）は，同一の材料で形成され，第１強磁性層（８ａ）及び第２強磁性層（８ｃ）の平面形状は，同一であり，第１強磁性層（８ａ）及び第２強磁性層（８ｃ）の平面形状は，異方性を有し，第１強磁性層（８ａ）及び第２強磁性層（８ｃ）は，その厚さが異なるように構成されることが好適である。
【００２１】
本発明によるＭＲＡＭは，複数のメモリセルを備えている。該メモリセルのそれぞれは，ＭＴＪ素子（１０）と，ＭＩＳＦＥＴ（１６）と，第１配線（１１）と，第２配線（１２）とを含む。ＭＴＪ素子（１０）は，固定された固定磁化を有する固定強磁性層（６）と，自由強磁性積層体（８）と，固定強磁性層（６）と自由強磁性積層体（８）との間に介設されたトンネル障壁層（７）とを備えている。自由強磁性積層体（８）は，トンネル障壁層（７）に接合して設けられ，反転可能な第１磁化を有する第１強磁性層（８ａ）と，反転可能であり，第１磁化と反対方向を向く第２磁化を有する第２強磁性層（８ｃ）と，第１強磁性層（８ａ）と第２強磁性層（８ｃ）との間に挟まれ，第１強磁性層（８ａ）及び第２強磁性層（８ｃ）よりもシート抵抗が低い非磁性導電層（８ｂ）とを備えている。第１配線（１１）と第２配線（１２）とは，自由強磁性層積層体（８）に接合されている。ＭＩＳＦＥＴ（１６）は，第２配線（１２）を介して自由強磁性層積層体（８）に接続されている。第１配線（１１）と第２配線（１２）のうちの一方は，第１強磁性層（８ａ）と第２強磁性層（８ｃ）との磁化を反転させる書き込み電流を自由強磁性積層体（８）に供給し，他方は，自由強磁性積層体（８）から書き込み電流を受け取る。非磁性導電層（８ｂ）の膜厚は，相対的に薄く形成され，第１配線（１１）と第２配線（１２）とのうちの少なくとも一方の膜厚は，相対的に厚く形成される。
【００２２】
本発明によるＭＲＡＭは，固定された固定磁化を有する固定強磁性層（６）と，自由強磁性積層体（８）と，固定強磁性層（６）と自由強磁性積層体（８）との間に介設されたトンネル障壁層（７）と，電流供給手段（１１，１２）とを備えている。自由強磁性積層体（８）は，トンネル障壁層（７）に接合して設けられ，反転可能な第１磁化を有する第１強磁性層（８ａ）と，反転可能であり，第１磁化と反対方向を向く第２磁化を有する第２強磁性層（８ｃ）と，第１強磁性層（８ａ）と第２強磁性層（８ｃ）との間に挟まれた非磁性導電層（８ｂ）とを含む。電流供給手段（１１）は，第１強磁性層（８ａ）と第２強磁性層（８ｃ）との磁化を反転させる電流を自由強磁性積層体（８）に供給する。供給された電流は，第２強磁性層（８ｃ）を通過して非磁性導電層（８ｂ）を流れ込み，非磁性導電層（８ｂ）の中を，その表面に平行な方向成分を有する方向に流れ，非磁性導電層（８ｂ）から第２強磁性層（８ｃ）を通過して自由強磁性積層体（８）の外部に流れ出る。このような構成は，非磁性導電層（８ｂ）の膜厚と，書き込み電流を供給する配線（１１，１２）との膜厚を独立に設計することを可能にする。したがって，当該ＭＲＡＭは，非磁性導電層（８ｂ）の膜厚を相対的に薄く，第１配線（１１，２１）と第２配線（１２，２２）との膜厚が相対的に厚いように形成可能である。これは，第１強磁性層（８ａ）と第２強磁性層（８ｃ）との磁気的結合を強くして熱的外乱に対するデータ保持の安定性を向上し，且つ，書き込み電流が流れる経路の抵抗を減少できる点で好適である。更に，このような構成では，第２強磁性層（８ｃ）に，非磁性導電層（８ｂ）の表面に垂直な成分を有する電流が流れる。この電流は，非磁性導電層（８ｂ）の表面に平行に流れる電流と同一の方向の磁界を第１強磁性層（８ａ）と第２強磁性層（８ｃ）とに印加する。したがって，このような構成は，より小さな電流でデータを書き込むこをを可能にする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下，添付図面を参照しながら，本発明によるＭＲＡＭの実施の形態を説明する。
【００２４】
（実施の第１形態）
本発明によるＭＲＡＭの実施の第１形態では，図１に示されているように，トランジスタ（図示されない）が設けられた基板１が，層間絶縁層２に被覆されている。メタルリード３が，層間絶縁層２の上に形成されている。メタルリード３は接地される。メタルリード３は，典型的には，Ａｌ，Ｃｕなどの金属膜で形成される。
【００２５】
ＭＴＪ素子１０が，メタルリード３の上に形成されている。ＭＪＴ素子１０は，ＭＲＡＭのメモリセルのデータ保持担体として機能する。ＭＴＪ素子１０の側面は，層間絶縁層９によって被覆されて保護されている。
【００２６】
ＭＴＪ素子１０は，この順に形成された，シード層４，反強磁性層５，固定強磁性層６，トンネル障壁層７，自由強磁性積層体８を含む。シード層４は，メタルリード３の上に直接に形成され，その上に形成される反強磁性層５の結晶性を向上する。シード層４は，典型的には，Ｔａ膜，又は，Ｔａ膜とＲｕ膜との積層体が使用される。反強磁性層５は，ＦｅＭｎ，ＩｒＭｎ，及びＰｔＭｎのような反強磁性体で形成される。固定強磁性層６は，比較的に磁気的にハードな強磁性体，ＣｏＦｅで形成される。固定強磁性層６の磁化は，反強磁性層５から受ける交換相互作用によって固定される。トンネル障壁層７は，アルミニウム酸化膜のような，非磁性の絶縁体で形成される。トンネル障壁層７は，膜厚方向に（即ち，トンネル障壁層７の表面に垂直な方向に）トンネル電流が流れる程度に薄く，その厚さは，典型的には，１．２−２．０ｎｍである。
【００２７】
自由強磁性積層体８は，第１強磁性層８ａ，非磁性導電層８ｂ，第２強磁性層８ｃ，及びキャップ層８ｄを含む。
【００２８】
第１強磁性層８ａと第２強磁性層８ｃとは，比較的に磁気的にソフトな強磁性体，典型的には，ＮｉＦｅ，ＮｉＦｅＣｏで形成される。第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの磁化の方向は，互いに逆である。第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの磁化は，ＭＴＪ素子１０に記憶されるデータに応じた方向に向けられる。
【００２９】
第１強磁性層８ａは，トンネル障壁層７の上に形成され，第１強磁性層８ａ，トンネル障壁層７，及び固定強磁性層６は，磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を構成する。第１強磁性層８ａの磁化と，固定強磁性層６の磁化との相対方向に応じて，ＭＴＪの抵抗が変化する。ＭＴＪの抵抗の変化に基づいて，ＭＴＪ素子１０に記憶されるデータが判定される。
【００３０】
非磁性導電層８ｂは，第１強磁性層８ａと第２強磁性層８ｃとの間に介設される。非磁性導電層８ｂの厚さは，第１強磁性層８ａと第２強磁性層８ｃとが静磁的に結合する程度に薄い。第１強磁性層８ａと第２強磁性層８ｃとの磁化の方向の安定化の観点からは，非磁性導電層８ｂが，第１強磁性層８ａと第２強磁性層８ｃとが交換相互作用によって結合される程度に極めて薄く形成されることが好適である。しかし，非磁性導電層８ｂがかかる程度に薄いことは，必ずしも必要とされない。
【００３１】
非磁性導電層８ｂは，Ｃｕ，Ｐｔ，Ａｇ，Ａｕ，及びＲｕのような良導体で形成され，非磁性導電層８ｂのシート抵抗は，第１強磁性層８ａ，第２強磁性層８ｃ，及びキャップ層８ｄのシート抵抗よりも充分に小さい。非磁性導電層８ｂのシート抵抗は，第１強磁性層８ａ，第２強磁性層８ｃ，及びキャップ層８ｄのシート抵抗の１０分の１以下であることが好ましい。
【００３２】
キャップ層８ｄは，その下に設けられる層，即ち，シード層４，反強磁性層５，固定強磁性層６，トンネル障壁層７，第１強磁性層８ａ，非磁性導電層８ｂ，及び第２強磁性層８ｃを，製造工程の間に加えられるダメージから保護するために設けられる。キャップ層８ｄは，典型的には，Ｔａで形成される。
【００３３】
図２に示されているように，ＭＴＪ素子１０は，ｙ軸方向に長細く形成され，形状に起因する磁気異方性をｙ軸方向に有している。これにより，固定強磁性層６，第１強磁性層８ａ，及び第２強磁性層８ｃの磁化容易軸はｙ軸方向に向けられている。固定強磁性層６，第１強磁性層８ａ，及び第２強磁性層８ｃの磁化は，ｙ軸方向に平行である。
【００３４】
キャップ層８ｄの上面８ｅには，配線層１１と配線層１２とが接合されている。配線層１１と配線層１２との厚さは，非磁性導電層８ｂよりも極めて厚い。図２に示されているように，配線層１１と配線層１２とは，ｘ軸方向に位置整合（be aligned）されている。
【００３５】
かかるＭＴＪ素子１０からのデータの読み出しは，以下の過程によって行われる。配線層１１と配線層１２とのうちの一方に電圧が供給され，他方がハイインピーダンス状態にされる。メタルリード３は接地されているため，ＭＴＪ素子１０には，トンネル障壁層７を介して読み出し電流が流れる。読み出し電流の大きさは，ＭＴＪ素子１０の抵抗，即ち，ＭＴＪ素子１０に記憶されているデータに対応している。読み出し電流の大きさから，ＭＴＪ素子１０に記憶されているデータが判別される。
【００３６】
一方，ＭＴＪ素子１０へのデータの書き込み（即ち，第１強磁性層８ａ，及び第２強磁性層８ｃの磁化の反転）は，配線層１１と配線層１２との間に電圧を加えることによって行われる。配線層１１の電位が配線層１２の電位よりも高い場合には，図１に示されているように，配線層１１から配線層１２に向かって書き込み電流が流れる。書き込み電流は，自由強磁性積層体８のキャップ層８ｄの上面８ｅに流れ込む。既述のように，非磁性導電層８ｂのシート抵抗は第１強磁性層８ａ，第２強磁性層８ｃ，及びキャップ層８ｄのシート抵抗よりも充分に小さいため，書き込み電流の主たる部分は，キャップ層８ｄ及び第２強磁性層８ｃを通過して非磁性導電層８ｂに流れ込む。書き込み電流の主たる部分は，キャップ層８ｄ及び第２強磁性層８ｃを，それらの表面に垂直な成分を有する方向に通過することになる。書き込み電流の主たる部分は，非磁性導電層８ｂの中を非磁性導電層８ｂの表面に平行な方向に流れた後，再び第２強磁性層８ｃ及びキャップ層８ｄを通過して配線層１２に流れ込む。書き込み電流の主たる部分は，再び，キャップ層８ｄ及び第２強磁性層８ｃを，それらの表面に垂直な成分を有する方向に通過することになる。書き込み電流の主たる部分の経路が，図１の矢印１３によって示されている。書き込み電流は，基板１の表面から垂直な方向から見て概ねｘ軸方向である。
【００３７】
非磁性導電層８ｂに電流が流れると，その上下にある第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃには，該電流によって発生される磁場が印加される。この磁場によって第１強磁性層８ａ，及び第２強磁性層８ｃの磁化が反転される。非磁性導電層８ｂに電流が流れるときに第１強磁性層８ａ，及び第２強磁性層８ｃのそれぞれに印加される磁場は逆方向であるから，第１強磁性層８ａ，及び第２強磁性層８ｃの磁化は，常に反対方向に保たれる。
【００３８】
書き込み電流の主たる部分が，キャップ層８ｄ及び第２強磁性層８ｃを，それらの表面に垂直な成分を有する方向に通過することは，第２強磁性層８ｃの磁化の反転を阻害しない。むしろ，書き込み電流の主たる部分が，キャップ層８ｄ及び第２強磁性層８ｃを流れて発生する磁界は，非磁性導電層８ｂの部分で発生する磁界の向きと同一方向であり，したがって，第２強磁性層８ｃの磁化の反転を促進する。これは，書き込み電流を低減することが可能である点で好ましい。
【００３９】
図１の構造は，少ない電流でＭＴＪ素子１０へのデータの書き込みを実行することを可能にする。第１強磁性層８ａ，及び第２強磁性層８ｃは非磁性導電層８ｂに接しており，第１強磁性層８ａ，及び第２強磁性層８ｃと，それらの磁化を反転させる電流の距離とは極めて近い。このため，少ない電流で大きな磁場が第１強磁性層８ａ，及び第２強磁性層８ｃに印加される。したがって，少ない電流で第１強磁性層８ａ，及び第２強磁性層８ｃの磁化を反転する，即ち，ＭＴＪ素子１０へのデータの書き込みを実行することが可能である。
【００４０】
更に図１の構造は，第１強磁性層８ａ，及び第２強磁性層８ｃの磁化の安定性を向上しつつ，書き込み電流が流れる経路の抵抗を抑制することを可能にする。図１の構造は，非磁性導電層８ｂ，配線層１１，及び配線層１２の膜厚を，互いに独立に設計することが可能である。そこで，非磁性導電層８ｂは，第１強磁性層８ａ，及び第２強磁性層８ｃの距離を小さくするために薄く形成され，配線層１１及び配線層１２は，非磁性導電層８ｂよりも厚く形成される。非磁性導電層８ｂが薄く形成されることにより，第１強磁性層８ａ，及び第２強磁性層８ｃの間の静磁的結合が強化され，書き込み動作が行われていないときの第１強磁性層８ａ，及び第２強磁性層８ｃの磁化の方向が外乱によって反転されることが防止される。非磁性導電層８ｂが薄いことは，非磁性導電層８ｂの電流密度を増大し，同一の電流で大きな磁場を発生可能にする点でも好適である。一方，配線層１１及び配線層１２を厚くすることにより，配線層１１及び配線層１２の抵抗を小さくすることができ，したがって，書き込み電流が流れる経路の抵抗を減少することができる。第１強磁性層８ａ，及び第２強磁性層８ｃの磁化の方向を一層に安定化するためには，非磁性導電層８ｂは，第１強磁性層８ａ，及び第２強磁性層８ｃの間に，反強磁性的な交換相互作用が発生するような材料及び厚さで形成されることが好ましい。
【００４１】
以上に説明されているように，本実施の形態のＭＲＡＭは，少ない電流でＭＴＪ素子１０へのデータの書き込みを行うことが可能である。更に，本実施の形態のＭＲＡＭは，第１強磁性層８ａ，及び第２強磁性層８ｃの磁化の安定性を向上しつつ，書き込み電流が流れる経路の抵抗を抑制することが可能である。
【００４２】
（変形例１）
本実施の形態のＭＲＡＭは，メモリセル（ＭＴＪ素子１０）のそれぞれに対して書き込み電流を供給するＭＯＳトランジスタが少なくとも一つずつ設けられ，書き込まれるメモリセルのみに一の書き込み電流が供給される構成（以下，一軸書き込み構成という。）が採用されるときに特に好適である。「一の書き込み電流が供給される」とは，従来のメモリセルアレイのように，書き込まれるメモリセルを選択するために方向の異なる２つの書き込み電流が流されるのではないことを意味している。一軸書き込み構成は，書き込みが行われるメモリセルのみに磁場が印加されるため，選択性が極めて高い。更に一軸書き込み構成は，大きな磁場をメモリセルに印加することが可能であるため，データの書き込みの確実性が高い。しかし，一軸書き込み構成は，ＭＯＳトランジスタをメモリセルアレイに多数組み込む必要があるため，ＭＯＳトランジスタのゲート幅の大きさが制限される。ＭＯＳトランジスタのゲート幅の制限は，大きな書き込み電流をメモリセルに供給することを困難にする。したがって，一軸書き込み構成は，書き込み電流の減少を強く要求する。図１のＭＴＪ素子１０は，書き込み電流を小さくすることが可能であり，一軸書き込み構成を採用するＭＲＡＭに特に好適である。
【００４３】
図３は，一軸書き込み構成を採用するＭＲＡＭの一例を示す。ＭＯＳトランジスタ１６が，ＭＴＪ素子１０のそれぞれに対して一つずつ設けられている。配線層１１は，第１ビット線１４に接続され，配線層１２は，ＭＯＳトランジスタ１６を介して第２ビット線１５に接続されている。ＭＯＳトランジスタ１５のゲートには，それらをオンオフするワード線１７が接続されている。
【００４４】
図３のＭＲＡＭの書き込み動作は，以下の過程で行われる。まず，メモリセルのうちの一が選択される。以下では，図３のＭＴＪ素子１０ａを含むメモリセルが選択されたとする。ＭＴＪ素子１０ａに接続されているＭＯＳトランジスタ１６ａに接続されているワード線１７がＨｉｇｈ電位にされ，ＭＯＳトランジスタ１６ａがオンされる。更に，第１ビット線１４のうち，ＭＴＪ素子１０ａに接続される第１ビット線１４ａに電位Ｖ_１が供給され，第２ビット線１５のうち，ＭＴＪ素子１０ａに接続される第２ビット線１５ａに電位Ｖ_２（≠Ｖ_１）が供給される。他の第１ビット線１４，第２ビット線１５，及びワード線１７はＬｏｗ電位にされる。これにより，ＭＴＪ素子１０ａに接続された配線層１１及び配線層１２を介して書き込み電流が流れ，ＭＴＪ素子１０ａの第１強磁性層８ａ，及び第２強磁性層８ｃの磁化が所望の方向に反転される。
【００４５】
一方，図３のＭＲＡＭの読み出し動作は，以下の過程で行われる。まず，メモリセル（ＭＴＪ素子１０）のうちの一が選択される。以下では，図３のＭＴＪ素子１０ａが選択されたとする。ＭＴＪ素子１０ａに接続されているＭＯＳトランジスタ１６ａに接続されているワード線１７がＨｉｇｈ電位にされ，ＭＯＳトランジスタ１６ａがオンされる。更に，第２ビット線１５のうち，ＭＴＪ素子１０ａに接続される第２ビット線１５ａに電位Ｖ_ｂが供給される。全ての第１ビット線１４は，ハイインピーダンス状態にされる。既述のように，メタルリード３は接地されているから，第２ビット線１５ａからＭＴＪ素子１０ａを介して，ＭＴＪ素子１０ａに接続されたメタルリード３ａに読み出し電流が流れる。読み出し電流の大きさから，ＭＴＪ素子１０ａに記憶されているデータが判別される。
【００４６】
（変形例２）
本実施の形態において，図４に示されているように，書き込み電流が流される方向が，基板１の表面から垂直な方向から見て第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの容易軸の方向に対して斜めであることは，書き込み電流の低減に有効である。図５に示されているように，書き込み電流が流される方向が，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの容易軸の方向に対して斜めであることにより，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃには，容易軸に対して斜めの方向に磁場が印加される。当業者にとって広く知られているように，強磁性体のアステロイド特性により，容易軸に対して斜めの方向に磁場を印加することにより，より小さい磁場で第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの磁化を反転可能である。したがって，書き込み電流が流される方向が，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの容易軸の方向に対して斜めであることにより，書き込み電流を小さくすることができる。
【００４７】
上述の一軸書き込み構成が採用される場合，書き込み電流が流される方向は，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの面内において，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの保磁力が最も小さくなる方向と垂直な方向に実質的に一致することが好適である。これにより，書き込み電流が発生する磁場の方向は，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの面内において，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの保磁力が最も小さくなる方向と一致し，より小さな書き込み電流でデータの書き込みを行うことが可能になる。
【００４８】
一軸書き込み構成の採用は，書き込み電流が発生する磁場の方向と，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの保磁力が最も小さくなる方向とを一致させることが容易である点でも好適である。一般に，ＭＴＪ素子へのデータの書き込みは，直交する２つの配線にそれぞれ書き込み電流を流し，自由強磁性層の容易軸の方向に対して斜めの方向に，合成磁界を発生するすることで行われる。しかし，公知のこの方法では，自由強磁性層の保磁力が最も小さくなる方向と合成磁界の方向とを一致させるためには，自由強磁性層と配線との距離，及び書き込み電流の大きさを最適化する必要がある。これは，書き込み電流の大きさに重大な制限を課す。一方，本実施の形態の一軸書き込み構成は，配線層１１及び配線層１２を適切な位置に配置することにより，書き込み電流が発生する磁場の方向と第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの保磁力が最も小さくなる方向とを一致させることができ，書き込み電流の大きさの最適化は要求されない。
【００４９】
（変形例３）
更に，本実施の形態のＭＲＡＭにおいて，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの磁化をそれぞれＭ_１，Ｍ_２とし，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの体積をそれぞれＶ_１，Ｖ_２としたとき，第１強磁性層８ａと第２強磁性層８ｃとが，
Ｍ_１・Ｖ_１＝Ｍ_２・Ｖ_２， …（１）
を成立させるように設計されていることが好適である。第１強磁性層８ａ，及び第２強磁性層８ｃの上面（及び下面）に垂直な方向からみて同一の形状を有する場合には，式（１）は，
Ｍ_１・ｔ_１＝Ｍ_２・ｔ_２， …（１）’
と書きなおすことができる。ここで，ｔ_１及びｔ_２は，それぞれ，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの膜厚である。式（１）の条件は，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃを同一の材料で形成し，更に平面形状及び膜厚を同一にする（即ち，ｔ_１＝ｔ_２にする）ことによって容易に達成可能である。
【００５０】
式（１）を成立させることにより，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの保磁力の増大を伴わずに，熱的外乱による第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの磁化の方向の反転を抑制することができる。このような効果が得られる理由は下記の通りである。
【００５１】
本実施の形態のＭＲＡＭにおいて，第１強磁性層８ａと第２強磁性層８ｃとの磁化の方向は，下記式で表されるエネルギーＥを最小化する条件として決定される：
Ｅ＝（１／２）（Ｈ_ｋＩ１Ｍ_１Ｖ_１＋Ｈ_ｋＩ２Ｍ_２Ｖ_２）・ｓｉｎ_２φ
＋（１／２）（Ｈ_ｋＳ１−Ｈ_ｋＳ２）（Ｍ_１Ｖ_１−Ｍ_２Ｖ_２）・ｓｉｎ_２φ
−Ｈ_ｅｘｔ（Ｍ_１Ｖ_１−Ｍ_２Ｖ_２）・ｃｏｓ（θ_ｅｘｔ−φ）
−Ｈ_ｉ（Ｍ_１Ｖ_１＋Ｍ_２Ｖ_２）・ｃｏｓ（θ_ｉ−φ）． …（２）
Ｈ_ｋＩ１及びＨ_ｋＩ２は，それぞれ，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの結晶磁気異方性による異方性磁界であり，Ｈ_ｋＳ１及びＨ_ｋＳ２は，それぞれ，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの形状磁気異方性による異方性磁界である。更に，φは，第１強磁性層８ａの磁化容易軸と，第１強磁性層８ａの磁化のなす角であり，θ_ｅｘｔは，磁化容易軸と外部磁界Ｈ_ｅｘｔ（即ち，非磁性導電層８ｂに流される電流が発生する磁界以外の磁界）とがなす角であり，θ_ｉは，磁化容易軸と，非磁性導電層８ｂに流される電流が発生する磁界Ｈ_ｉとがなす角である。更に，式（２）の導出では，第１強磁性層８ａと第２強磁性層８ｃとの磁化が反強磁性的に結合しながら回転することが仮定されている。即ち，第１強磁性層８ａの磁化容易軸と，第１強磁性層８ａの磁化のなす角をφ_１，第２強磁性層８ｃの磁化容易軸と，第２強磁性層８ｃの磁化のなす角をφ_２としたとき，
φ＝φ_１＝φ_２＋π，
が成立する。
【００５２】
式（１）から，式（２）の第２項は，０である。即ち，第１強磁性層８ａと第２強磁性層８ｃとの磁化の方向は，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの形状磁気異方性による異方性磁界Ｈ_ｋＳ１，Ｈ_ｋＩＳに依存しない。したがって，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの保磁力は，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの結晶磁気異方性に依存するが，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの形状には依存しない。これは，保磁力が，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃを構成する材料のみで決定され，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの体積Ｖ_１，Ｖ_２を大きくしても，保磁力（即ち，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの書き込みに必要な磁界の大きさ）が大きくならないことを意味している。
【００５３】
更に，非磁性導電層８ｂに電流が流されていないとき（即ち，書き込み動作が行われていないとき），式（１）’から，式（２）は，
Ｅ＝（１／２）（Ｈ_ｋＩ１Ｍ_１Ｖ_１＋Ｈ_ｋＩ２Ｍ_２Ｖ_２）・ｓｉｎ_２φ …（２）’
と変形される。これは，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの体積Ｖ_１，Ｖ_２を大きくすることにより，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの磁化を反転させるエネルギー障壁が高くなり，熱揺らぎによるデータの破壊を起こりにくくすることができることを意味している。
【００５４】
したがって，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃを上記式（１）が成立するように形成し，且つ，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの体積を充分に大きくすることにより，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの保磁力の増大を伴わずに，熱的外乱による第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの磁化の方向の反転を防止することが可能である。
【００５５】
第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃを上記式（１）が成立するように形成することは，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの平面形状を等方的な形状，例えば，正方形，及び円にすることができる点でも好適である。第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの平面形状を等方的な形状であることは，ＭＴＪ素子１０を一層に密に配置することができるという点で好ましい。
【００５６】
更に，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃを上記式（１）が成立するように形成することは，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの平面形状のバラツキに起因する，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの保磁力のバラツキを防止することができる点でも好ましい。既述のとおり，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃを上記式（１）が成立するように形成すると，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの保磁力は，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの形状には依存しない。したがって，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの平面形状のバラツキによる，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの保磁力のバラツキは発生しない。
【００５７】
第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃを上記式（１）が成立するように形成することは，更に，一のメモリセルから，それに隣接するメモリセルに漏洩する漏洩磁界を実質的に０にすることができる点でも好適である。第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃを上記式（１）が成立するように形成することにより，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの発生する磁界が通過する磁路は，閉磁路になる。したがって，漏洩磁界は，実質的に０になる。これは，隣接するメモリセルへの静磁的な影響を実質的になくすことができる点で好適である。
【００５８】
ここで，上記式（１）が成立するように形成すると，式（２）の第３項（即ち，外部磁界Ｈ_ｅｘｔに依存する項）が０になることに留意されるべきである。これは，一般的なメモリセルのように，外部から磁界を印加することによっては，第１強磁性層８ａ，及び第２強磁性層８ｃの磁化を反転することができないことを意味している。したがって，上記式（１）が成立させる構成は，上述の，第１強磁性層８ａと第２強磁性層８ｃとの間に介設された非磁性導電層８ｂに電流を流すことによって第１強磁性層８ａと第２強磁性層８ｃとの磁化を反転させる場合にしか適用することができない。
【００５９】
以下では，第１強磁性層８ａ，及び第２強磁性層８ｃの構造の例が説明される。第１強磁性層８ａ，第２強磁性層８ｃが，同一の材料で形成され，同一の形状を有するとする。即ち，
Ｍ_１＝Ｍ_２（＝Ｍ），
Ｈ_ｋＩ１＝Ｈ_ｋＩ２（＝Ｈ_ｋＩ），及び
Ｖ_１＝Ｖ_２（＝Ｖ），
が成立するとする。更に，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃは，直径ｗ，厚さｔの円盤状であるとする。更に，ＭＲＡＭにエラー訂正回路（ＥＣＣ）が搭載され，１０００時間に１ビットのエラーが発生することが許容されるとする。この場合，エネルギーバリアと，熱エネルギーとの比が５０以上である必要がある。即ち，式（２）’を参照し，且つ，ボルツマン定数をｋ_Ｂ，温度をＴとして，
Ｈ_ｋＩＭＶ／ｋ_ＢＴ＞５０， …（３）
が成立する必要がある。Ｖ＝（１／４）π・ｗ^２・ｔであるから式（３）より，
ｔ＞４・５０・ｋ_ＢＴ／（Ｍ・Ｈ_ｋＩ・π・ｗ^２）， …（４）
となる。現実的な数値として，Ｍ＝８００（ｅｍｕ／ｃｍ^２），Ｈ_ｋＩ＝４（Ｏｅ），Ｔ＝３３３（Ｋ），ｗ＝０．３（μｍ）である場合を考える。これらを式（４）に代入することにより，
ｔ＞８（ｎｍ）
を得る。即ち，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの厚さｔを８ｎｍより大きくすることによって，１０００時間あたりのエラーが発生するビットの数を１未満にすることができる。第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃとの磁化が面内方向に向くためには，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃとの厚さは，これらの直径ｗよりも充分に小さいことが望ましい。
【００６０】
（変形例４）
本実施の形態において，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの材料が同一であり，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの平面形状が同一であり，該平面形状が異方性を有し，且つ，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃそれぞれの厚さｔ_１，ｔ_２が異なることが好適である。これにより，充分に大きなエネルギーバリアを得て熱揺らぎに対するデータ破壊を抑制しつつ，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの保磁力を小さく保つことが可能である。このような効果が得られる理由は，下記の通りである。
【００６１】
本実施の形態では，上述の通り，非磁性導電層８ｂに流される電流による磁場Ｈ_ｉによって第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの磁化が反転され，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの磁化の反転に，外部磁界Ｈ_ｅｘｔは使用されない。したがって，書き込み動作のときの外部磁界Ｈ_ｅｘｔは０である。更に，上述の条件から，
Ｈ_ｋＩ１＝Ｈ_ｋＩ２（＝Ｈ_ｋＩ）
Ｍ_１＝Ｍ_２（＝Ｍ），
ｔ_１≠ｔ_２，
が成立する。ここで，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの平面形状が同一であっても，その厚さが異なるため，
Ｈ_ｋＳ１≠Ｈ_ｋＳ２
であることに留意されるべきである。
【００６２】
式（２）と，上述の条件から，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの実効的な異方性磁場Ｈ_ｋ（即ち，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの磁化を反転させるのに必要な磁場Ｈ_ｉの最小値）は，下記式：
Ｈ_ｋ＝Ｈ_ＫＩ＋（Ｈ_ｋＳ１−Ｈ_ｋＳ２）・（ｔ_１−ｔ_２）／（ｔ_１＋ｔ_２），…（５）
で表される。更に，エネルギーバリアΔＥは，下記式：
ΔＥ＝（１／２）Ｈ_ｋＭＳ（ｔ_１＋ｔ_２）， …（６）
により表される。
【００６３】
式（５），（６）は，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの膜厚の最適化により，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの実効的な異方性磁場Ｈ_ｋを小さくし，エネルギーバリアΔＥを大きくする設計が可能であることを意味している。即ち，エネルギーバリアΔＥの増大は，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの膜厚の和ｔ_１＋ｔ_２を大きくすることによって達成可能である。異方性磁場Ｈ_ｋの減少は，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの膜厚の差ｔ_１−ｔ_２を小さくすることによって達成可能である。和ｔ_１＋ｔ_２の増大と差ｔ_１−ｔ_２の減少とは，同時に達成可能である。したがって，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの膜厚の最適設計により，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの実効的な異方性磁場Ｈ_ｋを小さくし，エネルギーバリアΔＥを大きくすることは，現実に可能である。
【００６４】
ゆえに，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの材料を同一にし，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの平面形状を同一にし，該平面形状が異方性を有し，且つ，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃそれぞれの厚さｔ_１，ｔ_２が異なることにより，充分に大きなエネルギーバリアを得て熱揺らぎに対するデータ破壊を抑制しつつ，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの保磁力を小さく保つ設計が可能になる。
【００６５】
（実施の第２形態）
図６は，本発明によるＭＲＡＭの実施の第２形態を示す。実施の第２形態では，ＭＴＪ素子１０と層間絶縁層９とが局所配線層１８によって被覆されている。局所配線層１８は，キャップ層８ｄの上面でＭＴＪ素子１０に接合されている。配線層１１及び配線層１２は，局所配線層１８の上に形成されている。即ち，局所配線層１８は，配線層１１及び配線層１２とキャップ層８ｄの上面との間に介設されている。
【００６６】
図７に示されているように，局所配線層１８は，ＭＴＪ素子１０の上面の全面を被覆する。局所配線層１８は，自由強磁性積層体８を構成する層（即ち，第１強磁性層８ａ，非磁性導電層８ｂ，第２強磁性層８ｃ，キャップ層８ｄ）のシート抵抗よりも充分に大きなシート抵抗を有している。
【００６７】
実施の第２形態では，ＭＴＪ素子１０へのデータの書き込みは，配線層１１と配線層１２との間に電圧が加えられることによって行われる。配線層１１と配線層１２との間に電圧が加えられたとき，図６に示されているように，書き込み電流の主たる成分は，矢印１３’に示されている経路で流れる。即ち，配線層１１に配線層１２よりも高い電位が与えられると，書き込み電流は，配線層１１の端の近傍において，配線層１１から局所配線層１８に流れ込む。更に，局所配線層１８は，自由強磁性積層体８を構成する層よりも充分に大きなシート抵抗を有しているため，書き込み電流の主たる成分は，局所配線層１８から，自由強磁性積層体８のキャップ層８ｄの表面８ｅに流れ込む。既述のように，非磁性導電層８ｂのシート抵抗は第１強磁性層８ａ，第２強磁性層８ｃ，及びキャップ層８ｄのシート抵抗よりも充分に小さいため，書き込み電流の主たる部分は，キャップ層８ｄ及び第２強磁性層８ｃを通過して非磁性導電層８ｂに流れ込む。書き込み電流の主たる部分は，非磁性導電層８ｂの表面に平行な方向に流れた後，再び第２強磁性層８ｃ及びキャップ層８ｄをそれらの表面に垂直な成分を持って通過して配線層１２に流れ込む。書き込み電流は，基板１の表面から垂直な方向から見て概ねｘ軸方向である。非磁性導電層８ｂに流れる電流が発生する磁界により，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの磁化が所望の方向に反転される。
【００６８】
実施の第２形態のＭＲＡＭは，実施の第１形態と同様に，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃに近接する非磁性導電層８ｂに流れる電流が発生する磁界によって第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの磁化が反転される。したがって，少ない電流でＭＴＪ素子１０へのデータの書き込みを行うことが可能である。更に，本実施の形態のＭＲＡＭは，非磁性導電層８ｂを薄く，且つ，配線層１１，１２を厚く設計することが可能であるため，第１強磁性層８ａ，及び第２強磁性層８ｃの磁化の安定性を向上しつつ，書き込み電流が流れる経路の抵抗を抑制することが可能である。
【００６９】
実施の第２形態のＭＲＡＭの構造は，更に，配線層１１及び配線層１２の形成工程においてＭＴＪ素子１０に与えられるダメージを減少することが可能である点で好適である。実施の第１形態では，配線層１１及び配線層１２を形成するためには，キャップ層８ｄの上に導電層を形成した後，該導電層をプラズマエッチングする必要がある。このプラズマエッチングのときに，キャップ層８ｄが直接にプラズマに曝される。キャップ層８ｄの厚さには一定の制限があるため，ＭＪＴ素子１０の第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃにある程度のダメージが与えられることは避けられない。実施の第２形態のＭＲＡＭの構造は，配線層１１及び配線層１２のエッチングのときに，ＭＴＪ素子１０が局所配線層１８によって被覆されるため，ＭＴＪ素子１０に与えられるダメージを有効に減少することができる。
【００７０】
実施の第２形態のＭＲＡＭについても，実施の第１形態で説明された変形例が適用されることは有効である。第１に，書き込み電流が流される方向が，基板１の表面から垂直な方向から見て第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの容易軸の方向に対して斜めであることは，書き込み電流の低減できる点で好適である。更に，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃを，上記式（１）が成立するように形成することは，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの保磁力の増大を伴わずに，熱的外乱による第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの磁化の方向の反転を抑制することができる点で好適である。更に，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの材料が同一であり，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃを，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの平面形状が同一であり，該平面形状が異方性を有し，且つ，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃそれぞれの厚さｔ_１，ｔ_２が異なるように形成することは，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの保磁力の増大を伴わずに，熱的外乱による第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの磁化の方向の反転を抑制することができる点で好適である。
【００７１】
（実施の第３形態）
図８は，本発明によるＭＲＡＭの実施の第３形態を示す。実施の第３形態では，配線層１１と配線層１２とが，同一の導電材料で形成され，更に，該導電材料の酸化物で形成された酸化領域１９によって分離されている。図９に示されているように，配線層１１はキャップ層８ｄの上面の一部においてＭＴＪ素子１０に接合され，配線層１２は，キャップ層８ｄの上面の他の一部においてＭＴＪ素子１０に接合される。配線層１１，配線層１２及び酸化領域１９の端は，ＭＴＪ素子１０の上面から見てＭＴＪ素子１０の外側にある。
【００７２】
図１０，図１１は，実施の第３形態のＭＲＡＭの製造工程を示す図である。まず，図１０に示されているように，基板１を被覆する層間絶縁膜２の上面に，層間絶縁膜９とＭＴＪ素子１０とが形成される。層間絶縁膜９とＭＴＪ素子１０とを形成する工程は，当業者が容易に想定できるため，その詳細は説明されない。続いて，図１１に示されているように，層間絶縁膜９とＭＴＪ素子１０との上面に導電層２０が形成される。導電層２０は，ＭＴＪ素子１０の上面の全面を被覆するように形成され，導電層２０の端は，ＭＴＪ素子１０の上面の外にある。続いて，導電層２０のうち，ＭＴＪ素子１０の上面の上にある部分の一部が選択的に酸化される。導電層２０の選択酸化は，酸化領域１９になる部分以外の部分を被覆するハードマスクを導電層２０の上に形成したのち，酸素プラズマによって処理することによって行われる。導電層２０の選択酸化により，図８に示されているＭＲＡＭの構造の形成が完了する。
【００７３】
このような構成を有する実施の第３形態のＭＲＡＭは，実施の第１形態と同様の作用効果を相する。即ち，実施の第３形態では，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃに近接する非磁性導電層８ｂに流れる電流が発生する磁界によって第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの磁化が反転される。したがって，実施の第３形態のＭＲＡＭは，少ない電流でＭＴＪ素子１０へのデータの書き込みを行うことが可能である。更に，実施の第３形態のＭＲＡＭは，非磁性導電層８ｂを薄く，且つ，配線層１１，１２を厚く設計することが可能であるため，第１強磁性層８ａ，及び第２強磁性層８ｃの磁化の安定性を向上しつつ，書き込み電流が流れる経路の抵抗を抑制することが可能である。
【００７４】
更に，実施の第３形態のＭＲＡＭは，更に，配線層１１及び配線層１２の形成工程においてＭＴＪ素子１０に与えられるダメージを減少することが可能である点で好適である。実施の第１形態では，配線層１１及び配線層１２をプラズマエッチングを用いて形成するときに，ＭＴＪ素子１０のキャップ層８ｄをプラズマにさらす必要がある。一方，実施の第３形態では，配線層１１，配線層１２及び酸化領域１９の端は，ＭＴＪ素子１０の上面から見てＭＴＪ素子１０の外側に形成されているため，配線層１１及び配線層１２をプラズマエッチングによって形成するときに，ＭＴＪ素子１０のキャップ層８ｄは，プラズマにさらされない。したがって，実施の第３形態のＭＲＡＭは，ＭＴＪ素子１０に与えられるダメージを有効に減少することができる。
【００７５】
実施の第３形態のＭＲＡＭについても，実施の第１形態で説明された変形例が適用されることは有効である。第１に，書き込み電流が流される方向が，基板１の表面から垂直な方向から見て第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの容易軸の方向に対して斜めであることは，書き込み電流を低減できる点で好適である。更に，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃを，上記式（１）が成立するように形成することは，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの保磁力の増大を伴わずに，熱的外乱による第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの磁化の方向の反転を抑制することができる点で好適である。更に，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの材料が同一であり，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃを，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの平面形状が同一であり，該平面形状が異方性を有し，且つ，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃそれぞれの厚さｔ_１，ｔ_２が異なるように形成することは，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの保磁力の増大を伴わずに，熱的外乱による第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの磁化の方向の反転を抑制することができる点で好適である。
【００７６】
（実施の第４形態）
図１２は，本発明によるＭＲＡＭの実施の第４形態を示す。実施の第４形態では，ＭＴＪ素子１０への書き込み電流の供給は，自由強磁性積層体８の側面に接合された書き込み電極２１，２２によって行われる。書き込み電極２１，２２は，トンネルバリア層７及び層間絶縁膜９により，メタルリード３，シード層４，反強磁性層５，及び固定強磁性層６から電気的に絶縁される。書き込み電極２１，２２の膜厚は，自由強磁性積層体８の非磁性導電層８ｂよりも厚い。
【００７７】
実施の第４形態では，ＭＴＪ素子１０からのデータの読み出しは，以下の過程によって行われる。書き込み電極２１と書き込み電極２２とのうちの一方に電圧が供給され，他方がハイインピーダンス状態にされる。メタルリード３は接地されているため，ＭＴＪ素子１０には，トンネル障壁層７を介して読み出し電流が流れる。読み出し電流の大きさは，ＭＴＪ素子１０の抵抗，即ち，ＭＴＪ素子１０に記憶されているデータに対応している。読み出し電流の大きさから，ＭＴＪ素子１０に記憶されているデータが判別される。
【００７８】
一方，ＭＴＪ素子１０へのデータの書き込みは，書き込み電極２１と書き込み電極２２との間に電圧を加えることによって行われる。書き込み電極２１の電位が書き込み電極２２の電位よりも高い場合には，図１２に示されているように，書き込み電極２１から書き込み電極２２に向かって書き込み電流が流れる。非磁性導電層８ｂのシート抵抗が第１強磁性層８ａ，第２強磁性層８ｃ，及びキャップ層８ｄのシート抵抗よりも充分に小さいため，書き込み電流の主たる部分は，図１２の矢印１３”によって示されているように，非磁性導電層８ｂを流れる。
【００７９】
非磁性導電層８ｂに電流が流れると，その上下にある第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃには，該電流によって発生される磁場が印加される。この磁場によって第１強磁性層８ａ，及び第２強磁性層８ｃの磁化が反転される。
【００８０】
図１２の構造は，少ない電流でＭＴＪ素子１０へのデータの書き込みを実行することを可能にする。第１強磁性層８ａ，及び第２強磁性層８ｃは非磁性導電層８ｂに接しており，第１強磁性層８ａ，及び第２強磁性層８ｃと，それらの磁化を反転させる電流の距離とは極めて近い。このため，少ない電流で大きな磁場が第１強磁性層８ａ，及び第２強磁性層８ｃに印加される。したがって，少ない電流で第１強磁性層８ａ，及び第２強磁性層８ｃの磁化を反転する，即ち，ＭＴＪ素子１０へのデータの書き込みを実行することが可能である。
【００８１】
更に図１２の構造は，第１強磁性層８ａ，及び第２強磁性層８ｃの磁化の安定性を向上しつつ，書き込み電流が流れる経路の抵抗を抑制することを可能にする。図１２の構造は，非磁性導電層８ｂ，書き込み電極２１，及び書き込み電極２２の膜厚を，互いに独立に設計することが可能である。そこで，非磁性導電層８ｂは，第１強磁性層８ａと第２強磁性層８ｃとの距離を小さくするために，薄く形成され，書き込み電極２１及び書き込み電極２２は，非磁性導電層８ｂよりも厚く形成される。非磁性導電層８ｂが薄く形成されることにより，第１強磁性層８ａと第２強磁性層８ｃとの間の静磁的結合が強化され，書き込み動作が行われていないときの第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの磁化の方向が外乱によって反転されることが防止される。非磁性導電層８ｂが薄いことは，非磁性導電層８ｂの電流密度を増大し，同一の電流で大きな磁場を発生可能にする点でも好適である。一方，更に，書き込み電極２１及び書き込み電極２２を厚くすることにより，書き込み電極２１及び書き込み電極２２の抵抗を小さくすることができ，したがって，書き込み電流が流れる経路の抵抗を減少することができる。
【００８２】
実施の第４形態のＭＲＡＭについても，実施の第１形態で説明された変形例が適用されることは有効である。第１に，書き込み電流が流される方向が，基板１の表面から垂直な方向から見て第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの容易軸の方向に対して斜めであることは，書き込み電流の低減できる点で好適である。更に，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃを，上記式（１）が成立するように形成することは，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの保磁力の増大を伴わずに，熱的外乱による第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの磁化の方向の反転を抑制することができる点で好適である。更に，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの材料が同一であり，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃを，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの平面形状が同一であり，該平面形状が異方性を有し，且つ，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃそれぞれの厚さｔ_１，ｔ_２が異なるように形成することは，第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの保磁力の増大を伴わずに，熱的外乱による第１強磁性層８ａ及び第２強磁性層８ｃの磁化の方向の反転を抑制することができる点で好適である。
【００８３】
【発明の効果】
本発明により，非書き込み動作時の自由強磁性層の磁化の向きを一層に安定化しつつ，書き込み電流が流れる経路の抵抗を小さくすることを可能にするＭＲＡＭが提供される。
また，本発明により，一層に小さい書き込み電流で書き込みが可能なＭＲＡＭが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は，本発明によるＭＲＡＭの実施の第１形態を示す断面図である。
【図２】図２は，本発明によるＭＲＡＭの実施の第１形態を示す上面図である。
【図３】図３は，本発明によるＭＲＡＭの実施の第１形態の変形例１を示す回路図である。
【図４】図４は，本発明によるＭＲＡＭの実施の第１形態の変形例２を示す上面図である。
【図５】図５は，実施の第１形態の変形例２において，第１強磁性層８ａに印加される磁界の方向を示す図である。
【図６】図６は，本発明によるＭＲＡＭの実施の第２形態を示す断面図である。
【図７】図７は，本発明によるＭＲＡＭの実施の第２形態を示す上面図である。
【図８】図８は，本発明によるＭＲＡＭの実施の第３形態を示す断面図である。
【図９】図９は，本発明によるＭＲＡＭの実施の第３形態を示す上面図である。
【図１０】図１０は，実施の第３形態のＭＲＡＭの製造方法を示す断面図である。
【図１１】図１１は，実施の第３形態のＭＲＡＭの製造方法を示す断面図である。
【図１２】図１２は，本発明によるＭＲＡＭの実施の第４形態を示す断面図である。
【図１３】図１３は，従来のＭＲＡＭを示す断面図である。
【図１４】図１４は，従来のＭＲＡＭを示す断面図である。
【符号の説明】
１：基板
２：層間絶縁層
３：メタルリード
４：シード層
５：反強磁性層
６：固定強磁性層
７：トンネル障壁層
８：自由強磁性積層体
８ａ：第１強磁性層
８ｂ：非磁性導電層
８ｃ：第２強磁性層
８ｄ：キャップ層
９：層間絶縁層
１０：ＭＴＪ素子
１１，１２：配線層
１３：矢印
１４：第１ビット線
１５：第２ビット線
１６：ＭＯＳトランジスタ
１７：ワード線
１８：局所配線層
１９：酸化領域
２０：導電層
２１，２２：書き込み電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic random access memory, and more particularly to a magnetic random access memory using a magnetic tunnel junction (MTJ) exhibiting a tunnel magnetoresistance effect (TMR effect) as a memory cell.
[0002]
[Prior art]
A magnetic tunnel junction (MTJ) composed of two ferromagnetic layers and a tunnel barrier layer (tunnel insulating layer) sandwiched between these ferromagnetic layers has a relative direction of magnetization of the ferromagnetic layers. Depending on it, the resistance changes greatly. Such a phenomenon is called a tunnel magnetoresistance effect (TMR effect). By detecting the resistance of the magnetic tunnel junction, it is possible to determine the magnetization direction of the ferromagnetic layer.
[0003]
By utilizing such a property of the magnetic tunnel junction, the magnetoresistive device including the magnetic tunnel junction is applied to a magnetic random access memory (MRAM) that holds data in a nonvolatile manner. Such an MRAM is configured by arranging memory cells each including an MTJ in a matrix. The magnetization of one of the two ferromagnetic layers included in the MTJ (referred to as a fixed ferromagnetic layer) is fixed, and the other ferromagnetic layer (referred to as a free ferromagnetic layer) has a magnetization of It is provided so that it can be reversed. Data is stored as the magnetization direction of the free ferromagnetic layer. Data is written by passing a current in the vicinity of the magnetic tunnel junction and reversing the magnetization of the free ferromagnetic layer by the magnetic field generated by the current. Data is read by detecting the magnetization direction of the free ferromagnetic layer using the TMR effect.
[0004]
In MRAM, it is desirable to write data (that is, reversal of magnetization) with a small current. On the other hand, in order to stabilize data retention, the magnetization direction of the free ferromagnetic layer is resistant to thermal disturbance. It is desired to be stable. In general, however, they are contradictory to each other. For example, if the coercivity of the free ferromagnetic layer is reduced, that is, if the anisotropic magnetic field of the free ferromagnetic layer is reduced, the magnetization can be reversed with a small current. However, the reduction of the anisotropic magnetic field is generally accompanied by the reduction of the energy barrier that reverses the magnetization of the free ferromagnetic layer. Therefore, when the anisotropic magnetic field is reduced, the stability of MRAM data retention is deteriorated.
[0005]
Patent Document 1 discloses an MRAM that simultaneously realizes reduction of write current and stabilization of data retention. The known MRAM includes a magnetic memory element 101a as shown in FIG. The magnetic memory element 101a includes a second wiring layer 128, an insulating layer 127, an antiferromagnetic layer 111, a first ferromagnetic layer (fixed ferromagnetic layer) 112, an insulating layer 113, and a second ferromagnetic layer ( Free ferromagnetic layer) 114, wiring layer 115, and third ferromagnetic layer 116. The fixed ferromagnetic layer 112 includes ferromagnetic layers 120 and 122 and a metal layer 121 sandwiched between them. As shown in FIG. 14, the wiring layer 115 extends in parallel with the substrate.
[0006]
The MRAM shown in FIG. 13 performs data writing by passing a write current through the wiring layer 115 in a direction parallel to the substrate. When a write current flows through the wiring layer 115, a magnetic field is applied to the second ferromagnetic layer 114 and the third ferromagnetic layer 116, and the magnetizations of the second ferromagnetic layer 114 and the third ferromagnetic layer 116 are reversed. The Since the directions of the magnetic fields applied to the second ferromagnetic layer 114 and the third ferromagnetic layer 116 are opposite, the magnetization directions of the second ferromagnetic layer 114 and the third ferromagnetic layer 116 are opposite. Since the distance between the second ferromagnetic layer 114 and the third ferromagnetic layer 116 and the wiring layer 115 through which the write current flows is short, the magnetization can be reversed with a small current. On the other hand, even when no write current is passed, the second ferromagnetic layer 114 and the third ferromagnetic layer 116 are magnetostatically coupled because the magnetization directions are opposite, so that the second strong layer 114 and the third ferromagnetic layer 116 are coupled. The magnetization directions of the magnetic layer 114 and the third ferromagnetic layer 116 are stabilized against disturbance. A technique similar to the technique disclosed in Patent Document 1 is disclosed in Patent Document 2.
[0007]
In order to stabilize the magnetization directions of the second ferromagnetic layer 114 and the third ferromagnetic layer 116 when the write operation is not performed, the second ferromagnetic layer 114 and the third ferromagnetic layer 116 are The distance is preferably close. The distance between the second ferromagnetic layer 114 and the third ferromagnetic layer 116 can be reduced by reducing the thickness of the wiring layer 115. However, reducing the thickness of the wiring layer 115 increases the resistance of the path through which the write current flows. Increasing the resistance of the path through which the write current flows increases the power consumption and the delay time, which is not preferable.
[0008]
It is desired that the resistance of the path through which the write current flows can be reduced while further stabilizing the magnetization direction of the free ferromagnetic layer during the non-write operation.
[0009]
[Patent Document 1]
US Pat. No. 6,396,735
[Patent Document 2]
US Pat. No. 6,252,796
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide an MRAM that can reduce the resistance of a path through which a write current flows while stabilizing the magnetization direction of a free ferromagnetic layer during a non-write operation.
Another object of the present invention is to provide an MRAM that can be written with a smaller write current.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
Hereinafter, means for solving the problem will be described using the numbers and symbols used in the [Embodiments of the Invention]. These numbers and symbols are added to clarify the correspondence between the description of [Claims] and the description of [Embodiments of the Invention]. However, the added numbers and symbols shall not be used for the interpretation of the technical scope of the invention described in [Claims].
[0012]
The MRAM according to the present invention includes a substrate (1), an MTJ element (10) formed above the substrate (1), first wirings (11, 21) formed above the substrate (1), And a second wiring (12, 22) formed above (1). The MTJ element (10) includes a fixed ferromagnetic layer (6) having a fixed magnetization, a free ferromagnetic laminate (8), a fixed ferromagnetic layer (6), and a free ferromagnetic laminate (8). And a tunnel barrier layer (7) interposed therebetween. The free ferromagnetic laminated body (8) is provided to be joined to the tunnel barrier layer (7), and can be reversed with the first ferromagnetic layer (8a) having a reversible first magnetization, and the first ferromagnetic layer Sandwiched between a second ferromagnetic layer (8c) having a magnetization in the direction opposite to the magnetization of the layer (8a), the first ferromagnetic layer (8a) and the second ferromagnetic layer (8c), And a nonmagnetic conductive layer (8b) having a sheet resistance lower than that of the ferromagnetic layer (8a) and the second ferromagnetic layer (8c). One of the first wiring (11, 21) and the second wiring (12, 22) has a write current for reversing the magnetization of the first ferromagnetic layer (8a) and the second ferromagnetic layer (8b). The other is supplied to the free ferromagnetic laminate (8), and the other receives the supplied write current from the free ferromagnetic laminate (8). Unlike the film thickness of the nonmagnetic conductive layer (8b) and at least one of the first wiring (11, 21) and the second wiring (12, 22), preferably both, the nonmagnetic conductive layer ( 8b) is relatively thin, and the film thickness of at least one (or both) of the first wiring (11, 21) and the second wiring (12, 22) is relatively thick. By making the film thickness of the nonmagnetic conductive layer (8b) relatively thin, the magnetic coupling between the first ferromagnetic layer (8a) and the second ferromagnetic layer (8c) becomes strong. Thereby, the magnetization directions of the first ferromagnetic layer (8a) and the second ferromagnetic layer (8c) are stabilized, and the stability of data retention against thermal disturbance is improved. Furthermore, the film thicknesses of the first wiring (11, 21) and the second wiring (12, 22) are relatively increased, thereby reducing the resistance of the path through which the write current flows.
[0013]
In the MRAM, the first wiring (21) supplies a write current to the free ferromagnetic multilayer (8) from the first side surface of the free ferromagnetic multilayer (8), and the second wiring (22) is free strong. The magnetic laminate (8) can be configured to receive the write current from the second side surface.
[0014]
The MRAM according to the present invention includes a substrate (1), an MTJ element (10) formed above the substrate (1), a first wiring (11) formed above the substrate (1), and a substrate (1 ) And a second wiring (12) formed above. The MTJ element (10) includes a fixed ferromagnetic layer (6) having a fixed magnetization, a free ferromagnetic laminate (8), a fixed ferromagnetic layer (6), and a free ferromagnetic laminate (8). And a tunnel barrier layer (7) interposed therebetween. The free ferromagnetic laminated body (8) is provided in contact with the tunnel barrier layer (7), and can be reversed with the first ferromagnetic layer (8a) having the first magnetization that can be reversed, The second ferromagnetic layer (8c) having the second magnetization facing in the opposite direction and the first ferromagnetic layer (8a) sandwiched between the first ferromagnetic layer (8a) and the second ferromagnetic layer (8c). And a nonmagnetic conductive layer (8b) having a sheet resistance lower than that of the second ferromagnetic layer. The first wiring (11) supplies a write current to the nonmagnetic conductive layer (8b) via the current supply surface (8e) on the opposite side of the tunnel barrier layer (7) of the free ferromagnetic laminate (8). The write current flows from the nonmagnetic conductive layer (8b) to the second wiring (12) through the current supply surface (8e). In such an MRAM, the film thicknesses of the nonmagnetic conductive layer (8b), the first wiring (11), and the second wiring (12) can be designed independently. Therefore, in the MRAM, the film thickness of the nonmagnetic conductive layer (8b) is relatively thin, and the film thicknesses of the first wiring (11, 21) and the second wiring (12, 22) are relatively thick. It can be formed. This enhances the magnetic coupling between the first ferromagnetic layer (8a) and the second ferromagnetic layer (8c), improves the stability of data retention against thermal disturbance, and provides a path through which the write current flows. This is preferable in that the resistance can be reduced.
[0015]
The MRAM includes a local wiring layer (18) that covers the entire top surface of the free ferromagnetic laminate (8), and the first wiring (11) and the second wiring (12) are formed on the local wiring layer (18). The sheet resistance of the local wiring layer (18) formed above is higher than the sheet resistance of the nonmagnetic conductive layer (8b), the first ferromagnetic layer (8a), and the second ferromagnetic layer (8c). It is suitable to be configured.
[0016]
The MRAM includes an oxidized region (19) interposed between the first wiring (11) and the second wiring (12), and the first wiring (11), the second wiring (12), and the oxidized region ( 19) is directly bonded to the upper surface (8e) of the free ferromagnetic laminate (8), and the first wiring (11) and the second wiring (12) are made of the same conductive material, and the oxidized region ( 19) is formed of an oxide of a conductive material, and the structure formed by the first wiring (11), the second wiring (12), and the oxidized region (19) is a free ferromagnetic laminate (8). It is preferable to cover the entire upper surface (8e) of the substrate.
[0017]
The direction in which the write current for reversing the magnetization of the first ferromagnetic layer (8a) and the second ferromagnetic layer (8c) flows is as viewed from the direction perpendicular to the upper surface (8e) of the free ferromagnetic laminate (8). The first ferromagnetic layer (8a) and the second ferromagnetic layer (8c) are preferably inclined with respect to the second magnetization direction.
[0018]
More preferably, the direction in which the write current flows is substantially the same as the direction of the magnetic field that minimizes the coercivity of the first ferromagnetic layer (8a) and the second ferromagnetic layer (8c) when viewed from the perpendicular direction. It is preferable to be perpendicular to
[0019]
The magnitudes of magnetization of the first ferromagnetic layer (8a) and the second ferromagnetic layer (8c) are represented by M, respectively.₁, M₂And the volume of the first ferromagnetic layer (8a) and the second ferromagnetic layer (8c) is V₁, V₂The first ferromagnetic layer (8a) and the second ferromagnetic layer (8c) have the following formula:
M₁・ V₁= M₂・ V₂,
It is preferable to form so as to establish Such a condition is that the planar shapes of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer are substantially the same, and the magnetization M of the first ferromagnetic layer (8a) and the second ferromagnetic layer (8c).₁, M₂Are substantially the same, and the thickness (t of the first ferromagnetic layer (8a) and the second ferromagnetic layer (8c) (t₁, T₂) Can be satisfied by making them substantially the same.
[0020]
In the MRAM, the first ferromagnetic layer (8a) and the second ferromagnetic layer (8c) are formed of the same material, and the first ferromagnetic layer (8a) and the second ferromagnetic layer (8c) The planar shapes are the same, and the planar shapes of the first ferromagnetic layer (8a) and the second ferromagnetic layer (8c) have anisotropy, and the first ferromagnetic layer (8a) and the second ferromagnetic layer The layers (8c) are preferably constructed so that their thicknesses are different.
[0021]
The MRAM according to the present invention includes a plurality of memory cells. Each of the memory cells includes an MTJ element (10), a MISFET (16), a first wiring (11), and a second wiring (12). The MTJ element (10) includes a fixed ferromagnetic layer (6) having a fixed magnetization, a free ferromagnetic laminate (8), a fixed ferromagnetic layer (6), and a free ferromagnetic laminate (8). And a tunnel barrier layer (7) interposed therebetween. The free ferromagnetic laminated body (8) is provided in contact with the tunnel barrier layer (7), and can be reversed with the first ferromagnetic layer (8a) having the first magnetization that can be reversed, The second ferromagnetic layer (8c) having the second magnetization facing in the opposite direction and the first ferromagnetic layer (8a) sandwiched between the first ferromagnetic layer (8a) and the second ferromagnetic layer (8c). ) And a nonmagnetic conductive layer (8b) having a sheet resistance lower than that of the second ferromagnetic layer (8c). The first wiring (11) and the second wiring (12) are joined to the free ferromagnetic layer laminate (8). The MISFET (16) is connected to the free ferromagnetic layer stack (8) through the second wiring (12). One of the first wiring (11) and the second wiring (12) has a free ferromagnetic laminated body that has a write current that reverses the magnetization of the first ferromagnetic layer (8a) and the second ferromagnetic layer (8c). The other receives the write current from the free ferromagnetic stack (8). The film thickness of the nonmagnetic conductive layer (8b) is relatively thin, and the film thickness of at least one of the first wiring (11) and the second wiring (12) is relatively thick. .
[0022]
The MRAM according to the present invention includes a fixed ferromagnetic layer (6) having a fixed magnetization, a free ferromagnetic laminate (8), a fixed ferromagnetic layer (6), and a free ferromagnetic laminate (8). A tunnel barrier layer (7) interposed therebetween and current supply means (11, 12) are provided. The free ferromagnetic laminated body (8) is provided in contact with the tunnel barrier layer (7), and can be reversed with the first ferromagnetic layer (8a) having the first magnetization that can be reversed, A second ferromagnetic layer (8c) having a second magnetization facing in the opposite direction, and a nonmagnetic conductive layer (8b) sandwiched between the first ferromagnetic layer (8a) and the second ferromagnetic layer (8c) Including. The current supply means (11) supplies a current for reversing the magnetization of the first ferromagnetic layer (8a) and the second ferromagnetic layer (8c) to the free ferromagnetic laminate (8). The supplied current passes through the second ferromagnetic layer (8c), flows into the nonmagnetic conductive layer (8b), and passes through the nonmagnetic conductive layer (8b) in a direction having a directional component parallel to the surface. It flows from the nonmagnetic conductive layer (8b) through the second ferromagnetic layer (8c) to the outside of the free ferromagnetic laminate (8). Such a configuration makes it possible to independently design the film thickness of the nonmagnetic conductive layer (8b) and the film thicknesses of the wirings (11, 12) for supplying the write current. Therefore, in the MRAM, the film thickness of the nonmagnetic conductive layer (8b) is relatively thin, and the film thicknesses of the first wiring (11, 21) and the second wiring (12, 22) are relatively thick. It can be formed. This enhances the magnetic coupling between the first ferromagnetic layer (8a) and the second ferromagnetic layer (8c), improves the stability of data retention against thermal disturbance, and provides a path through which the write current flows. This is preferable in that the resistance can be reduced. Further, in such a configuration, a current having a component perpendicular to the surface of the nonmagnetic conductive layer (8b) flows through the second ferromagnetic layer (8c). This current applies a magnetic field in the same direction as the current flowing parallel to the surface of the nonmagnetic conductive layer (8b) to the first ferromagnetic layer (8a) and the second ferromagnetic layer (8c). Therefore, such a configuration makes it possible to write data with a smaller current.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of an MRAM according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
[0024]
(First embodiment)
In the first embodiment of the MRAM according to the present invention, as shown in FIG. 1, a substrate 1 provided with a transistor (not shown) is covered with an interlayer insulating layer 2. A metal lead 3 is formed on the interlayer insulating layer 2. The metal lead 3 is grounded. The metal lead 3 is typically formed of a metal film such as Al or Cu.
[0025]
An MTJ element 10 is formed on the metal lead 3. The MJT element 10 functions as a data holding carrier for MRAM memory cells. The side surface of the MTJ element 10 is covered and protected by the interlayer insulating layer 9.
[0026]
The MTJ element 10 includes a seed layer 4, an antiferromagnetic layer 5, a fixed ferromagnetic layer 6, a tunnel barrier layer 7, and a free ferromagnetic laminated body 8 formed in this order. The seed layer 4 is formed directly on the metal lead 3 and improves the crystallinity of the antiferromagnetic layer 5 formed thereon. Typically, the seed layer 4 is a Ta film or a laminate of a Ta film and a Ru film. The antiferromagnetic layer 5 is formed of an antiferromagnetic material such as FeMn, IrMn, and PtMn. The fixed ferromagnetic layer 6 is made of a relatively magnetically hard ferromagnetic material, CoFe. The magnetization of the fixed ferromagnetic layer 6 is fixed by the exchange interaction received from the antiferromagnetic layer 5. The tunnel barrier layer 7 is formed of a nonmagnetic insulator such as an aluminum oxide film. The tunnel barrier layer 7 is so thin that a tunnel current flows in the film thickness direction (that is, in a direction perpendicular to the surface of the tunnel barrier layer 7), and the thickness is typically 1.2 to 2.0 nm. It is.
[0027]
The free ferromagnetic laminate 8 includes a first ferromagnetic layer 8a, a nonmagnetic conductive layer 8b, a second ferromagnetic layer 8c, and a cap layer 8d.
[0028]
The first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are formed of a relatively magnetically soft ferromagnetic material, typically NiFe or NiFeCo. The directions of magnetization of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are opposite to each other. The magnetizations of the first ferromagnetic layer 8 a and the second ferromagnetic layer 8 c are directed in a direction corresponding to data stored in the MTJ element 10.
[0029]
The first ferromagnetic layer 8a is formed on the tunnel barrier layer 7, and the first ferromagnetic layer 8a, the tunnel barrier layer 7, and the fixed ferromagnetic layer 6 constitute a magnetic tunnel junction (MTJ). The resistance of the MTJ changes according to the relative direction between the magnetization of the first ferromagnetic layer 8a and the magnetization of the fixed ferromagnetic layer 6. Data stored in the MTJ element 10 is determined based on the change in resistance of the MTJ.
[0030]
The nonmagnetic conductive layer 8b is interposed between the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c. The thickness of the nonmagnetic conductive layer 8b is so thin that the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are coupled magnetostatically. From the viewpoint of stabilizing the magnetization direction of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c, the nonmagnetic conductive layer 8b is exchanged between the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c. It is preferable that the layer be formed to be extremely thin to the extent that it is bonded by action. However, it is not always necessary that the nonmagnetic conductive layer 8b is thin enough.
[0031]
The nonmagnetic conductive layer 8b is formed of a good conductor such as Cu, Pt, Ag, Au, and Ru. The sheet resistance of the nonmagnetic conductive layer 8b is the first ferromagnetic layer 8a, the second ferromagnetic layer 8c, and It is sufficiently smaller than the sheet resistance of the cap layer 8d. The sheet resistance of the nonmagnetic conductive layer 8b is preferably 1/10 or less of the sheet resistance of the first ferromagnetic layer 8a, the second ferromagnetic layer 8c, and the cap layer 8d.
[0032]
The cap layer 8d is provided under the layers, that is, the seed layer 4, the antiferromagnetic layer 5, the fixed ferromagnetic layer 6, the tunnel barrier layer 7, the first ferromagnetic layer 8a, the nonmagnetic conductive layer 8b, and the first layer. Two ferromagnetic layers 8c are provided to protect against damage applied during the manufacturing process. The cap layer 8d is typically made of Ta.
[0033]
As shown in FIG. 2, the MTJ element 10 is formed elongated in the y-axis direction, and has magnetic anisotropy due to the shape in the y-axis direction. Thus, the easy magnetization axes of the fixed ferromagnetic layer 6, the first ferromagnetic layer 8a, and the second ferromagnetic layer 8c are oriented in the y-axis direction. The magnetizations of the fixed ferromagnetic layer 6, the first ferromagnetic layer 8a, and the second ferromagnetic layer 8c are parallel to the y-axis direction.
[0034]
The wiring layer 11 and the wiring layer 12 are joined to the upper surface 8e of the cap layer 8d. The thickness of the wiring layer 11 and the wiring layer 12 is extremely thicker than that of the nonmagnetic conductive layer 8b. As shown in FIG. 2, the wiring layer 11 and the wiring layer 12 are be aligned in the x-axis direction.
[0035]
Reading of data from the MTJ element 10 is performed by the following process. A voltage is supplied to one of the wiring layer 11 and the wiring layer 12, and the other is brought into a high impedance state. Since the metal lead 3 is grounded, a read current flows through the MTJ element 10 via the tunnel barrier layer 7. The magnitude of the read current corresponds to the resistance of the MTJ element 10, that is, the data stored in the MTJ element 10. Data stored in the MTJ element 10 is determined from the magnitude of the read current.
[0036]
On the other hand, data writing to the MTJ element 10 (that is, reversal of magnetization of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c) is performed by applying a voltage between the wiring layer 11 and the wiring layer 12. Done. When the potential of the wiring layer 11 is higher than the potential of the wiring layer 12, a write current flows from the wiring layer 11 toward the wiring layer 12 as shown in FIG. The write current flows into the upper surface 8e of the cap layer 8d of the free ferromagnetic laminate 8. As described above, since the sheet resistance of the nonmagnetic conductive layer 8b is sufficiently smaller than the sheet resistance of the first ferromagnetic layer 8a, the second ferromagnetic layer 8c, and the cap layer 8d, the main part of the write current is It flows through the cap layer 8d and the second ferromagnetic layer 8c into the nonmagnetic conductive layer 8b. The main part of the write current passes through the cap layer 8d and the second ferromagnetic layer 8c in a direction having a component perpendicular to their surfaces. The main part of the write current flows in the nonmagnetic conductive layer 8b in a direction parallel to the surface of the nonmagnetic conductive layer 8b, and then passes again through the second ferromagnetic layer 8c and the cap layer 8d to the wiring layer 12. Flows in. The main part of the write current again passes through the cap layer 8d and the second ferromagnetic layer 8c in a direction having a component perpendicular to their surfaces. The path of the main part of the write current is indicated by the arrow 13 in FIG. The write current is generally in the x-axis direction when viewed from the direction perpendicular to the surface of the substrate 1.
[0037]
When a current flows through the nonmagnetic conductive layer 8b, a magnetic field generated by the current is applied to the first and second ferromagnetic layers 8a and 8c above and below the nonmagnetic conductive layer 8b. The magnetization of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c is reversed by this magnetic field. Since the magnetic field applied to each of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c when the current flows through the nonmagnetic conductive layer 8b is in the opposite direction, the first ferromagnetic layer 8a and the second strong layer The magnetization of the magnetic layer 8c is always kept in the opposite direction.
[0038]
The main part of the write current passing through the cap layer 8d and the second ferromagnetic layer 8c in a direction having a component perpendicular to the surface thereof does not inhibit the magnetization reversal of the second ferromagnetic layer 8c. Rather, the magnetic field generated when the main part of the write current flows through the cap layer 8d and the second ferromagnetic layer 8c is in the same direction as the direction of the magnetic field generated in the part of the nonmagnetic conductive layer 8b. The reversal of magnetization of the ferromagnetic layer 8c is promoted. This is preferable in that the write current can be reduced.
[0039]
The structure of FIG. 1 makes it possible to execute data writing to the MTJ element 10 with a small current. The first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are in contact with the nonmagnetic conductive layer 8b, and the distance between the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c and the current that reverses their magnetization. Is very close. For this reason, a large magnetic field is applied to the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c with a small current. Therefore, it is possible to invert the magnetizations of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c with a small current, that is, to write data to the MTJ element 10.
[0040]
Furthermore, the structure of FIG. 1 makes it possible to suppress the resistance of the path through which the write current flows while improving the magnetization stability of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c. In the structure of FIG. 1, the film thicknesses of the nonmagnetic conductive layer 8b, the wiring layer 11, and the wiring layer 12 can be designed independently of each other. Therefore, the nonmagnetic conductive layer 8b is formed to be thin in order to reduce the distance between the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c, and the wiring layer 11 and the wiring layer 12 are made thinner than the nonmagnetic conductive layer 8b. It is formed thick. By forming the nonmagnetic conductive layer 8b to be thin, the magnetostatic coupling between the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c is strengthened, and the first strong when the write operation is not performed. The magnetization directions of the magnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are prevented from being reversed by disturbance. The thin nonmagnetic conductive layer 8b is preferable in that the current density of the nonmagnetic conductive layer 8b is increased and a large magnetic field can be generated with the same current. On the other hand, by increasing the thickness of the wiring layer 11 and the wiring layer 12, the resistance of the wiring layer 11 and the wiring layer 12 can be reduced, and therefore the resistance of the path through which the write current flows can be reduced. In order to further stabilize the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c, the nonmagnetic conductive layer 8b includes the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c. It is preferably formed of a material and a thickness such that an antiferromagnetic exchange interaction occurs between them.
[0041]
As described above, the MRAM according to the present embodiment can write data to the MTJ element 10 with a small current. Furthermore, the MRAM of the present embodiment can suppress the resistance of the path through which the write current flows while improving the magnetization stability of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c.
[0042]
(Modification 1)
The MRAM according to the present embodiment has a configuration in which at least one MOS transistor for supplying a write current to each memory cell (MTJ element 10) is provided, and one write current is supplied only to the memory cell to be written. (Hereinafter referred to as a uniaxial writing configuration) is particularly suitable. “One write current is supplied” means that two write currents having different directions are not supplied to select a memory cell to be written as in the conventional memory cell array. The uniaxial writing configuration is extremely selective because a magnetic field is applied only to the memory cell to which writing is performed. Further, the uniaxial writing configuration can apply a large magnetic field to the memory cell, and therefore has high data writing reliability. However, in the uniaxial writing configuration, since it is necessary to incorporate a large number of MOS transistors in the memory cell array, the gate width of the MOS transistor is limited. The limitation on the gate width of the MOS transistor makes it difficult to supply a large write current to the memory cell. Therefore, the uniaxial write configuration strongly requires a reduction in write current. The MTJ element 10 of FIG. 1 can reduce the write current, and is particularly suitable for an MRAM that employs a uniaxial write configuration.
[0043]
FIG. 3 shows an example of an MRAM that employs a uniaxial writing configuration. One MOS transistor 16 is provided for each MTJ element 10. The wiring layer 11 is connected to the first bit line 14, and the wiring layer 12 is connected to the second bit line 15 via the MOS transistor 16. A word line 17 for turning them on and off is connected to the gate of the MOS transistor 15.
[0044]
The write operation of the MRAM in FIG. First, one of the memory cells is selected. Hereinafter, it is assumed that a memory cell including the MTJ element 10a of FIG. 3 is selected. The word line 17 connected to the MOS transistor 16a connected to the MTJ element 10a is set to High potential, and the MOS transistor 16a is turned on. Further, among the first bit lines 14, the potential V is applied to the first bit line 14a connected to the MTJ element 10a.₁Of the second bit line 15 is connected to the second bit line 15a connected to the MTJ element 10a.₂(≠ V₁) Is supplied. The other first bit line 14, second bit line 15, and word line 17 are set to a low potential. Accordingly, a write current flows through the wiring layer 11 and the wiring layer 12 connected to the MTJ element 10a, and the magnetizations of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c of the MTJ element 10a are in desired directions. Inverted.
[0045]
On the other hand, the read operation of the MRAM in FIG. 3 is performed in the following process. First, one of the memory cells (MTJ element 10) is selected. Hereinafter, it is assumed that the MTJ element 10a of FIG. 3 is selected. The word line 17 connected to the MOS transistor 16a connected to the MTJ element 10a is set to High potential, and the MOS transistor 16a is turned on. Further, among the second bit lines 15, the potential V is applied to the second bit line 15a connected to the MTJ element 10a._bIs supplied. All the first bit lines 14 are set to a high impedance state. As described above, since the metal lead 3 is grounded, a read current flows from the second bit line 15a through the MTJ element 10a to the metal lead 3a connected to the MTJ element 10a. The data stored in the MTJ element 10a is determined from the magnitude of the read current.
[0046]
(Modification 2)
In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the direction in which the write current flows is easy for the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c when viewed from the direction perpendicular to the surface of the substrate 1. Being inclined with respect to the direction of the axis is effective in reducing the write current. As shown in FIG. 5, the direction in which the write current flows is oblique with respect to the directions of the easy axes of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c. A magnetic field is applied to 8a and the second ferromagnetic layer 8c in a direction oblique to the easy axis. As is well known to those skilled in the art, due to the asteroid characteristics of the ferromagnetic material, the first ferromagnetic layer 8a and the second strong layer can be applied with a smaller magnetic field by applying a magnetic field in a direction oblique to the easy axis. The magnetization of the magnetic layer 8c can be reversed. Therefore, the direction in which the write current is passed is oblique with respect to the directions of the easy axes of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c, so that the write current can be reduced.
[0047]
When the above-described uniaxial write configuration is adopted, the direction in which the write current flows is the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c in the plane of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c. It is preferable to substantially coincide with the direction perpendicular to the direction in which the coercive force of the material becomes the smallest. Thereby, the direction of the magnetic field in which the write current is generated is such that the coercive force of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c is the smallest in the plane of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c. This makes it possible to write data with a smaller write current.
[0048]
Employing the uniaxial writing configuration is also preferable in that it is easy to match the direction of the magnetic field in which the writing current is generated with the direction in which the coercive force of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c is the smallest. It is. In general, data is written to the MTJ element by flowing a write current through two orthogonal wires and generating a combined magnetic field in a direction oblique to the easy axis direction of the free ferromagnetic layer. . However, in this known method, in order to make the direction in which the coercive force of the free ferromagnetic layer is the smallest and the direction of the combined magnetic field match, the distance between the free ferromagnetic layer and the wiring and the magnitude of the write current are set. Need to optimize. This places a significant limit on the magnitude of the write current. On the other hand, in the uniaxial writing configuration of the present embodiment, by arranging the wiring layer 11 and the wiring layer 12 at appropriate positions, the direction of the magnetic field in which the write current is generated, the first ferromagnetic layer 8a, and the second ferromagnetic layer. The direction in which the coercive force of 8c becomes the smallest can be matched, and the optimization of the write current is not required.
[0049]
(Modification 3)
Furthermore, in the MRAM according to the present embodiment, the magnetizations of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are respectively set to M.₁, M₂And the volumes of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are V, respectively.₁, V₂When the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are
M₁・ V₁= M₂・ V₂, ... (1)
It is preferable to be designed so that In the case where the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c have the same shape as viewed from the direction perpendicular to the upper surface (and the lower surface), the equation (1) is
M₁・ T₁= M₂・ T₂, ... (1) '
Can be rewritten. Where t₁And t₂Are the thicknesses of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c, respectively. The condition of the expression (1) is that the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are formed of the same material, and the planar shape and film thickness are the same (that is, t₁= T₂Can be easily achieved.
[0050]
By satisfying the expression (1), the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c due to thermal disturbance without increasing the coercive force of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c. The reversal of the magnetization direction can be suppressed. The reason why such an effect is obtained is as follows.
[0051]
In the MRAM of the present embodiment, the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are determined as conditions for minimizing the energy E expressed by the following equation:
E = (1/2) (H_kI1M₁V₁+ H_kI2M₂V₂) ・ Sin₂φ
+ (1/2) (H_kS1-H_kS2) (M₁V₁-M₂V₂) ・ Sin₂φ
-H_ext(M₁V₁-M₂V₂) ・ Cos (θ_ext−φ)
-H_i(M₁V₁+ M₂V₂) ・ Cos (θ_i−φ). ... (2)
H_kI1And H_kI2Are anisotropic magnetic fields due to the magnetocrystalline anisotropy of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c, respectively, and H_kS1And H_kS2Are anisotropic magnetic fields due to the shape magnetic anisotropy of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c, respectively. Further, φ is an angle formed by the easy axis of magnetization of the first ferromagnetic layer 8a and the magnetization of the first ferromagnetic layer 8a, and θ_extThe easy magnetization axis and the external magnetic field H_ext(Ie, a magnetic field other than the magnetic field generated by the current flowing through the nonmagnetic conductive layer 8b) and θ_iIs an easy axis of magnetization and a magnetic field H in which a current flowing in the nonmagnetic conductive layer 8b is generated._iIs the angle between Further, in the derivation of Equation (2), it is assumed that the magnetizations of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c rotate while being antiferromagnetically coupled. That is, the angle formed between the easy axis of the first ferromagnetic layer 8a and the magnetization of the first ferromagnetic layer 8a is φ.₁, The angle formed by the magnetization easy axis of the second ferromagnetic layer 8c and the magnetization of the second ferromagnetic layer 8c is φ₂When
φ = φ₁= Φ₂+ Π,
Is established.
[0052]
From equation (1), the second term of equation (2) is zero. That is, the direction of magnetization of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c depends on the anisotropic magnetic field H due to the shape magnetic anisotropy of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c._kS1, H_kISDoes not depend on. Therefore, the coercive force of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c depends on the crystal magnetic anisotropy of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c, but the first ferromagnetic layer 8a. And it does not depend on the shape of the second ferromagnetic layer 8c. This is because the coercive force is determined only by the material constituting the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c, and the volume V of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c.₁, V₂This means that the coercive force (that is, the magnitude of the magnetic field necessary for writing to the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c) does not increase even if the value is increased.
[0053]
Further, when no current is passed through the nonmagnetic conductive layer 8b (that is, when a write operation is not performed), from equation (1) ', equation (2) is
E = (1/2) (H_kI1M₁V₁+ H_kI2M₂V₂) ・ Sin₂φ (2) ’
And transformed. This is because the volume V of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c.₁, V₂This means that the energy barrier for reversing the magnetization of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c is increased, and it is possible to make it difficult to destroy data due to thermal fluctuations.
[0054]
Therefore, the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are formed so that the above formula (1) is satisfied, and the volumes of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are sufficiently large. As a result, the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are reversed by thermal disturbance without increasing the coercivity of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c. Can be prevented.
[0055]
Forming the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c so that the above formula (1) is satisfied is that the planar shapes of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are isotropic. It is also suitable in that it can be shaped, for example, square and circle. It is preferable that the planar shapes of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are isotropic in that the MTJ elements 10 can be arranged more densely.
[0056]
Furthermore, forming the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c so that the above formula (1) is satisfied results in variations in the planar shape of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c. This is also preferable in that the variation in coercivity between the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c can be prevented. As described above, when the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are formed so as to satisfy the above formula (1), the coercive force of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c is It does not depend on the shape of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c. Accordingly, there is no variation in coercive force between the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c due to the variation in the planar shape of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c.
[0057]
Forming the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c so that the above formula (1) is satisfied further reduces the leakage magnetic field leaking from one memory cell to the adjacent memory cell. It is also suitable in that it can be set to zero. By forming the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c so that the above formula (1) is established, the magnetic field generated by the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c passes through. The path becomes a closed magnetic circuit. Therefore, the leakage magnetic field is substantially zero. This is preferable in that the magnetostatic influence on adjacent memory cells can be substantially eliminated.
[0058]
Here, if the above formula (1) is established, the third term of the formula (2) (that is, the external magnetic field H_extIt should be noted that the term that depends on becomes 0). This means that the magnetization of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c cannot be reversed by applying a magnetic field from the outside as in a general memory cell. . Therefore, the configuration in which the above formula (1) is established is that the current is passed through the nonmagnetic conductive layer 8b interposed between the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c. It can be applied only when the magnetizations of the ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are reversed.
[0059]
Hereinafter, examples of the structure of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c will be described. It is assumed that the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are made of the same material and have the same shape. That is,
M₁= M₂(= M),
H_kI1= H_kI2(= H_kI),as well as
V₁= V₂(= V),
Is established. Furthermore, it is assumed that the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c have a disk shape with a diameter w and a thickness t. Furthermore, it is assumed that an error correction circuit (ECC) is mounted on the MRAM and that a 1-bit error is allowed to occur in 1000 hours. In this case, the ratio between the energy barrier and the heat energy needs to be 50 or more. That is, the expression (2) 'is referred to and the Boltzmann constant is set to k._B, Where T is the temperature
H_kIMV / k_BT> 50, (3)
Must be established. V = (1/4) π · w²-Since t, from equation (3),
t> 4 · 50 · k_BT / (M ・ H_kI・ Π ・ w²), ... (4)
It becomes. As a realistic value, M = 800 (emu / cm²), H_kIConsider the case of = 4 (Oe), T = 333 (K), and w = 0.3 (μm). By substituting these into equation (4),
t> 8 (nm)
Get. That is, by making the thickness t of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c larger than 8 nm, the number of bits in which errors per 1000 hours occur can be made less than one. In order for the magnetization of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c to be directed in the in-plane direction, the thickness of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c is determined from the diameter w thereof. It is desirable that the size is sufficiently small.
[0060]
(Modification 4)
In the present embodiment, the materials of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are the same, and the planar shapes of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are the same. Have anisotropy and the thickness t of each of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c.₁, T₂Are preferably different. As a result, it is possible to obtain a sufficiently large energy barrier and suppress data destruction due to thermal fluctuation, while keeping the coercivity of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c small. The reason why such an effect can be obtained is as follows.
[0061]
In the present embodiment, as described above, the magnetic field H generated by the current flowing through the nonmagnetic conductive layer 8b._iThis reverses the magnetization of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c, and inverts the magnetization of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c._extIs not used. Therefore, the external magnetic field H during the write operation_extIs 0. Furthermore, from the above conditions,
H_kI1= H_kI2(= H_kI)
M₁= M₂(= M),
t₁≠ t₂,
Is established. Here, even if the planar shapes of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are the same, their thicknesses are different.
H_kS1≠ H_kS2
It should be noted that.
[0062]
From the equation (2) and the above-mentioned conditions, the effective anisotropic magnetic field H of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c_k(That is, the magnetic field H necessary for reversing the magnetization of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c._iIs the following formula:
H_k= H_KI+ (H_kS1-H_kS2) ・ (T₁-T₂) / (T₁+ T₂), ... (5)
It is represented by Furthermore, the energy barrier ΔE is given by the following formula:
ΔE = (1/2) H_kMS (t₁+ T₂), ... (6)
It is represented by
[0063]
Equations (5) and (6) are effective anisotropics of the first and second ferromagnetic layers 8a and 8c by optimizing the film thicknesses of the first and second ferromagnetic layers 8a and 8c. Sex magnetic field H_kThis means that it is possible to design with a small energy barrier and a large energy barrier ΔE. That is, the increase in the energy barrier ΔE is caused by the sum t of the film thicknesses of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c.₁+ T₂This can be achieved by increasing. Anisotropic magnetic field H_kDecrease in the film thickness difference t between the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c.₁-T₂This can be achieved by reducing. Sum t₁+ T₂Increase and difference t₁-T₂This reduction can be achieved at the same time. Therefore, the effective anisotropic magnetic field H of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c is determined by the optimum design of the thickness of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c._kIt is actually possible to decrease the value and increase the energy barrier ΔE.
[0064]
Therefore, the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are made of the same material, the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c have the same planar shape, and the planar shape has anisotropy. And the thickness t of each of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c.₁, T₂Therefore, it is possible to design the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c to have a small coercive force while obtaining a sufficiently large energy barrier and suppressing data destruction due to thermal fluctuation.
[0065]
(Second embodiment)
FIG. 6 shows a second embodiment of the MRAM according to the present invention. In the second embodiment, the MTJ element 10 and the interlayer insulating layer 9 are covered with the local wiring layer 18. The local wiring layer 18 is bonded to the MTJ element 10 on the upper surface of the cap layer 8d. The wiring layer 11 and the wiring layer 12 are formed on the local wiring layer 18. That is, the local wiring layer 18 is interposed between the wiring layers 11 and 12 and the upper surface of the cap layer 8d.
[0066]
As shown in FIG. 7, the local wiring layer 18 covers the entire upper surface of the MTJ element 10. The local wiring layer 18 is sufficiently larger than the sheet resistance of the layers constituting the free ferromagnetic laminate 8 (that is, the first ferromagnetic layer 8a, the nonmagnetic conductive layer 8b, the second ferromagnetic layer 8c, and the cap layer 8d). Has a large sheet resistance.
[0067]
In the second embodiment, data is written to the MTJ element 10 by applying a voltage between the wiring layer 11 and the wiring layer 12. When a voltage is applied between the wiring layer 11 and the wiring layer 12, as shown in FIG. 6, the main component of the write current flows through the path indicated by the arrow 13 '. That is, when a potential higher than that of the wiring layer 12 is applied to the wiring layer 11, the write current flows from the wiring layer 11 to the local wiring layer 18 in the vicinity of the end of the wiring layer 11. Furthermore, since the local wiring layer 18 has a sufficiently larger sheet resistance than the layer constituting the free ferromagnetic multilayer 8, the main component of the write current is transferred from the local wiring layer 18 to the free ferromagnetic multilayer. 8 flows into the surface 8e of the cap layer 8d. As described above, since the sheet resistance of the nonmagnetic conductive layer 8b is sufficiently smaller than the sheet resistance of the first ferromagnetic layer 8a, the second ferromagnetic layer 8c, and the cap layer 8d, the main part of the write current is It flows through the cap layer 8d and the second ferromagnetic layer 8c into the nonmagnetic conductive layer 8b. The main part of the write current flows in a direction parallel to the surface of the nonmagnetic conductive layer 8b, and then passes again through the second ferromagnetic layer 8c and the cap layer 8d with components perpendicular to the surface thereof to the wiring layer. 12 flows. The write current is generally in the x-axis direction when viewed from the direction perpendicular to the surface of the substrate 1. The magnetization of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c is reversed in a desired direction by the magnetic field generated by the current flowing through the nonmagnetic conductive layer 8b.
[0068]
Similar to the first embodiment, the MRAM according to the second embodiment has a first strong magnetic field generated by a magnetic field generated by a current flowing in the nonmagnetic conductive layer 8b adjacent to the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c. The magnetizations of the magnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are reversed. Therefore, it is possible to write data to the MTJ element 10 with a small current. Furthermore, since the MRAM of the present embodiment can be designed so that the nonmagnetic conductive layer 8b is thin and the wiring layers 11 and 12 are thick, the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c. It is possible to suppress the resistance of the path through which the write current flows while improving the stability of the magnetization.
[0069]
The structure of the MRAM according to the second embodiment is preferable in that the damage given to the MTJ element 10 in the process of forming the wiring layer 11 and the wiring layer 12 can be reduced. In the first embodiment, in order to form the wiring layer 11 and the wiring layer 12, it is necessary to plasma-etch the conductive layer after forming the conductive layer on the cap layer 8d. During this plasma etching, the cap layer 8d is directly exposed to plasma. Since the thickness of the cap layer 8d is limited, it is inevitable that the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c of the MJT element 10 are damaged to some extent. In the structure of the MRAM according to the second embodiment, since the MTJ element 10 is covered with the local wiring layer 18 when the wiring layer 11 and the wiring layer 12 are etched, the damage given to the MTJ element 10 is effectively reduced. be able to.
[0070]
It is effective that the modification described in the first embodiment is applied to the MRAM in the second embodiment. First, the direction in which the write current flows is oblique with respect to the directions of the easy axes of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c when viewed from the direction perpendicular to the surface of the substrate 1. This is preferable in that the write current can be reduced. Furthermore, forming the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c so that the above formula (1) is satisfied increases the coercive force of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c. This is preferable in that the reversal of the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c due to thermal disturbance can be suppressed. Furthermore, the materials of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are the same, and the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are replaced with the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c. Of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c, the thickness t of each of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c.₁, T₂Is different from that of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c without increasing the coercive force of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c. This is preferable in that reversal of the magnetization direction can be suppressed.
[0071]
(Third embodiment)
FIG. 8 shows a third embodiment of the MRAM according to the present invention. In the third embodiment, the wiring layer 11 and the wiring layer 12 are formed of the same conductive material and further separated by an oxide region 19 formed of an oxide of the conductive material. As shown in FIG. 9, the wiring layer 11 is bonded to the MTJ element 10 at a part of the upper surface of the cap layer 8d, and the wiring layer 12 is connected to the MTJ element 10 at the other part of the upper surface of the cap layer 8d. Be joined. The ends of the wiring layer 11, the wiring layer 12, and the oxidized region 19 are outside the MTJ element 10 when viewed from the upper surface of the MTJ element 10.
[0072]
10 and 11 are diagrams showing the manufacturing process of the MRAM according to the third embodiment. First, as shown in FIG. 10, the interlayer insulating film 9 and the MTJ element 10 are formed on the upper surface of the interlayer insulating film 2 covering the substrate 1. Since the process for forming the interlayer insulating film 9 and the MTJ element 10 can be easily assumed by those skilled in the art, the details thereof will not be described. Subsequently, as shown in FIG. 11, a conductive layer 20 is formed on the upper surfaces of the interlayer insulating film 9 and the MTJ element 10. The conductive layer 20 is formed so as to cover the entire upper surface of the MTJ element 10, and the end of the conductive layer 20 is outside the upper surface of the MTJ element 10. Subsequently, a part of the conductive layer 20 on the upper surface of the MTJ element 10 is selectively oxidized. The selective oxidation of the conductive layer 20 is performed by forming a hard mask covering the portion other than the portion to be the oxidized region 19 on the conductive layer 20 and then processing with oxygen plasma. By the selective oxidation of the conductive layer 20, the formation of the MRAM structure shown in FIG. 8 is completed.
[0073]
The MRAM of the third embodiment having such a configuration has the same function and effect as those of the first embodiment. That is, in the third embodiment, the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer are generated by the magnetic field generated by the current flowing through the nonmagnetic conductive layer 8b adjacent to the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c. The magnetization of 8c is reversed. Therefore, the MRAM according to the third embodiment can write data to the MTJ element 10 with a small current. Furthermore, since the MRAM according to the third embodiment can be designed to make the nonmagnetic conductive layer 8b thin and the wiring layers 11 and 12 thick, the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer can be designed. It is possible to suppress the resistance of the path through which the write current flows while improving the magnetization stability of 8c.
[0074]
Further, the MRAM according to the third embodiment is preferable in that the damage given to the MTJ element 10 in the process of forming the wiring layer 11 and the wiring layer 12 can be further reduced. In the first embodiment, when the wiring layer 11 and the wiring layer 12 are formed using plasma etching, the cap layer 8d of the MTJ element 10 needs to be exposed to plasma. On the other hand, in the third embodiment, the ends of the wiring layer 11, the wiring layer 12, and the oxidized region 19 are formed outside the MTJ element 10 when viewed from the top surface of the MTJ element 10. When 12 is formed by plasma etching, the cap layer 8d of the MTJ element 10 is not exposed to plasma. Therefore, the MRAM according to the third embodiment can effectively reduce the damage given to the MTJ element 10.
[0075]
It is effective that the modification described in the first embodiment is applied also to the MRAM in the third embodiment. First, the direction in which the write current flows is oblique with respect to the directions of the easy axes of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c when viewed from the direction perpendicular to the surface of the substrate 1. This is preferable in that the write current can be reduced. Furthermore, forming the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c so that the above formula (1) is satisfied increases the coercive force of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c. This is preferable in that the reversal of the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c due to thermal disturbance can be suppressed. Furthermore, the materials of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are the same, and the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are replaced with the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c. Of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c, the thickness t of each of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c.₁, T₂Is different from that of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c without increasing the coercive force of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c. This is preferable in that reversal of the magnetization direction can be suppressed.
[0076]
(Fourth embodiment)
FIG. 12 shows a fourth embodiment of the MRAM according to the present invention. In the fourth embodiment, the write current is supplied to the MTJ element 10 by the write electrodes 21 and 22 bonded to the side surface of the free ferromagnetic laminate 8. The write electrodes 21 and 22 are electrically insulated from the metal lead 3, the seed layer 4, the antiferromagnetic layer 5, and the fixed ferromagnetic layer 6 by the tunnel barrier layer 7 and the interlayer insulating film 9. The film thickness of the write electrodes 21, 22 is thicker than the nonmagnetic conductive layer 8 b of the free ferromagnetic laminate 8.
[0077]
In the fourth embodiment, reading of data from the MTJ element 10 is performed by the following process. A voltage is supplied to one of the write electrode 21 and the write electrode 22 and the other is brought into a high impedance state. Since the metal lead 3 is grounded, a read current flows through the MTJ element 10 via the tunnel barrier layer 7. The magnitude of the read current corresponds to the resistance of the MTJ element 10, that is, the data stored in the MTJ element 10. Data stored in the MTJ element 10 is determined from the magnitude of the read current.
[0078]
On the other hand, data is written to the MTJ element 10 by applying a voltage between the write electrode 21 and the write electrode 22. When the potential of the write electrode 21 is higher than the potential of the write electrode 22, a write current flows from the write electrode 21 toward the write electrode 22 as shown in FIG. Since the sheet resistance of the nonmagnetic conductive layer 8b is sufficiently smaller than the sheet resistance of the first ferromagnetic layer 8a, the second ferromagnetic layer 8c, and the cap layer 8d, the main part of the write current is the arrow 13 "in FIG. As shown by, it flows through the nonmagnetic conductive layer 8b.
[0079]
When a current flows through the nonmagnetic conductive layer 8b, a magnetic field generated by the current is applied to the first and second ferromagnetic layers 8a and 8c above and below the nonmagnetic conductive layer 8b. The magnetization of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c is reversed by this magnetic field.
[0080]
The structure of FIG. 12 makes it possible to execute data writing to the MTJ element 10 with a small current. The first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are in contact with the nonmagnetic conductive layer 8b, and the distance between the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c and the current that reverses their magnetization. Is very close. For this reason, a large magnetic field is applied to the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c with a small current. Therefore, it is possible to invert the magnetizations of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c with a small current, that is, to write data to the MTJ element 10.
[0081]
Furthermore, the structure of FIG. 12 makes it possible to suppress the resistance of the path through which the write current flows while improving the magnetization stability of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c. In the structure of FIG. 12, the film thicknesses of the nonmagnetic conductive layer 8b, the write electrode 21, and the write electrode 22 can be designed independently of each other. Therefore, the nonmagnetic conductive layer 8b is formed thin in order to reduce the distance between the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c, and the write electrode 21 and the write electrode 22 are formed more than the nonmagnetic conductive layer 8b. Is also formed thick. By forming the nonmagnetic conductive layer 8b thin, the magnetostatic coupling between the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c is strengthened, and the first strong when the write operation is not performed. The magnetization directions of the magnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are prevented from being reversed by disturbance. The thin nonmagnetic conductive layer 8b is preferable in that the current density of the nonmagnetic conductive layer 8b is increased and a large magnetic field can be generated with the same current. On the other hand, by further increasing the thickness of the write electrode 21 and the write electrode 22, the resistance of the write electrode 21 and the write electrode 22 can be reduced, and therefore the resistance of the path through which the write current flows can be reduced.
[0082]
It is effective to apply the modification described in the first embodiment to the MRAM in the fourth embodiment. First, the direction in which the write current flows is oblique with respect to the directions of the easy axes of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c when viewed from the direction perpendicular to the surface of the substrate 1. This is preferable in that the write current can be reduced. Furthermore, forming the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c so that the above formula (1) is satisfied increases the coercive force of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c. This is preferable in that the reversal of the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c due to thermal disturbance can be suppressed. Furthermore, the materials of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are the same, and the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c are replaced with the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c. Of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c, the thickness t of each of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c.₁, T₂Is different from that of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c without increasing the coercive force of the first ferromagnetic layer 8a and the second ferromagnetic layer 8c. This is preferable in that reversal of the magnetization direction can be suppressed.
[0083]
【The invention's effect】
According to the present invention, there is provided an MRAM that can reduce the resistance of a path through which a write current flows while further stabilizing the magnetization direction of a free ferromagnetic layer during a non-write operation.
The present invention also provides an MRAM that can be written with a smaller write current.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of an MRAM according to the present invention.
FIG. 2 is a top view showing a first embodiment of an MRAM according to the present invention.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a first modification of the first embodiment of the MRAM according to the present invention.
FIG. 4 is a top view showing a second modification of the first embodiment of the MRAM according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing the direction of a magnetic field applied to the first ferromagnetic layer 8a in Modification 2 of the first embodiment.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a second embodiment of the MRAM according to the present invention.
FIG. 7 is a top view showing a second embodiment of the MRAM according to the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a third embodiment of the MRAM according to the present invention.
FIG. 9 is a top view showing a third embodiment of the MRAM according to the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the method of manufacturing the MRAM according to the third embodiment.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing the method of manufacturing the MRAM according to the third embodiment.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a fourth embodiment of the MRAM according to the present invention.
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a conventional MRAM.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a conventional MRAM.
[Explanation of symbols]
1: Substrate
2: Interlayer insulation layer
3: Metal lead
4: Seed layer
5: Antiferromagnetic layer
6: Fixed ferromagnetic layer
7: Tunnel barrier layer
8: Free ferromagnetic laminate
8a: first ferromagnetic layer
8b: Nonmagnetic conductive layer
8c: second ferromagnetic layer
8d: Cap layer
9: Interlayer insulation layer
10: MTJ element
11, 12: Wiring layer
13: Arrow
14: First bit line
15: Second bit line
16: MOS transistor
17: Word line
18: Local wiring layer
19: Oxidized region
20: Conductive layer
21 and 22: writing electrode

Claims

A substrate,
An MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element formed above the substrate;
A first wiring formed above the substrate;
A second wiring formed above the substrate,
The MTJ element is
A fixed ferromagnetic layer having a fixed magnetization, and
A free ferromagnetic laminate,
A tunnel barrier layer interposed between the fixed ferromagnetic layer and the free ferromagnetic laminate,
The free ferromagnetic laminate is
A first ferromagnetic layer provided in junction with the tunnel barrier layer and having a reversible first magnetization;
A second ferromagnetic layer that is reversible and has a second magnetization facing away from the first magnetization;
A nonmagnetic conductive layer sandwiched between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer and having a sheet resistance lower than that of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer;
One of the first wiring and the second wiring supplies a write current that inverts the first magnetization and the second magnetization to the free ferromagnetic laminate,
The other of the first wiring and the second wiring receives the supplied write current from the free ferromagnetic laminate,
A magnetic random access memory, wherein a film thickness of the nonmagnetic conductive layer is different from a film thickness of at least one of the first wiring and the second wiring.

The magnetic random access memory according to claim 1,
The magnetic random access memory, wherein the first wiring and the second wiring are both thicker than the nonmagnetic conductive layer.

The magnetic random access memory according to claim 1,
The first wiring supplies the write current to the free ferromagnetic multilayer from the first side surface of the free ferromagnetic multilayer,
The second wiring receives the write current from a second side surface of the free ferromagnetic multilayer;
Magnetic random access memory.

A substrate,
An MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element formed above the substrate;
A first wiring formed above the substrate;
A second wiring formed above the substrate,
The MTJ element is
A fixed ferromagnetic layer having a fixed magnetization, and
A free ferromagnetic laminate,
A tunnel barrier layer interposed between the fixed ferromagnetic layer and the free ferromagnetic laminate,
The free ferromagnetic laminate is
A first ferromagnetic layer provided in junction with the tunnel barrier layer and having a reversible first magnetization;
A second ferromagnetic layer that is reversible and has a second magnetization facing away from the first magnetization;
A nonmagnetic conductive layer sandwiched between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer and having a sheet resistance lower than that of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer;
The first wiring supplies the write current to the nonmagnetic conductive layer through a current supply surface on the opposite side of the tunnel barrier layer of the free ferromagnetic laminate,
The magnetic random access memory, wherein the write current flows from the nonmagnetic conductive layer to the second wiring via the current supply surface.

The magnetic random access memory according to claim 4,
And a local wiring layer covering the entire top surface of the free ferromagnetic laminate.
The first wiring and the second wiring are formed on the local wiring layer,
The sheet resistance of the local wiring layer is higher than the sheet resistance of the nonmagnetic conductive layer, the first ferromagnetic layer, and the second ferromagnetic layer. Magnetic random access memory.

The magnetic random access memory according to claim 1 or 4,
Furthermore, an oxidation region interposed between the first wiring and the second wiring is provided,
The first wiring, the second wiring, and the oxidized region are directly bonded to the upper surface of the free ferromagnetic multilayer,
The first wiring and the second wiring are formed of the same conductive material,
The oxidized region is formed of an oxide of the conductive material;
The structure formed by the first wiring, the second wiring, and the oxidized region covers the entire upper surface of the free ferromagnetic multilayer. Magnetic random access memory.

The magnetic random access memory according to any one of claims 1 to 6,
The direction in which the write current flows is that of the first magnetization of the first ferromagnetic layer and the second magnetization of the second ferromagnetic layer when viewed from a perpendicular direction perpendicular to the top surface of the free ferromagnetic multilayer. Magnetic random access memory that is diagonal to the direction.

The magnetic random access memory according to claim 7,
Said write current flow direction, said when viewed from the vertical direction, the first ferromagnetic layer and the second magnetic random access memory is a direction vertical to the magnetic field to minimize the coercive force of the ferromagnetic layer.

The magnetic random access memory according to any one of claims 1 to 6,
The magnitudes of magnetization of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer are M ₁ and M ₂ , respectively, and the volumes of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer are V ₁ and V ₂ , respectively. Then, the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer have the following formula:
M ₁ · V ₁ = M ₂ · V ₂ ,
Magnetic random access memory that is formed to establish

The magnetic random access memory according to claim 9,
The planar shapes of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer are substantially the same;
Etc. properly the _{M 1} and the said _{M 2,}
The magnetic random access memory, wherein the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer have substantially the same thickness.

The magnetic random access memory according to any one of claims 1 to 6,
The first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer are formed of the same material,
The planar shapes of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer are the same,
The planar shapes of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer have anisotropy,
The magnetic random access memory, wherein the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer have different thicknesses.

With multiple memory cells,
Each of the memory cells
An MTJ element;
MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect
Transistor),
A first wiring;
Including the second wiring,
The MTJ element is
A fixed ferromagnetic layer having a fixed magnetization, and
A free ferromagnetic laminate,
A tunnel barrier layer interposed between the fixed ferromagnetic layer and the free ferromagnetic laminate,
The free ferromagnetic laminate is
A first ferromagnetic layer provided in junction with the tunnel barrier layer and having a reversible first magnetization;
A second ferromagnetic layer that is reversible and has a second magnetization facing away from the first magnetization;
A nonmagnetic conductive layer sandwiched between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer and having a sheet resistance lower than that of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer;
The first wiring and the second wiring are joined to the free ferromagnetic layer stack,
The MISFET is connected to the free ferromagnetic layer stack through the second wiring,
One of the first wiring and the second wiring supplies a write current for inverting the first magnetization and the second magnetization to the free ferromagnetic laminate,
The other of the first wiring and the second wiring receives the write current from the free ferromagnetic laminate,
The nonmagnetic conductive layer is relatively thin,
A magnetic random access memory in which at least one of the first wiring and the second wiring is relatively thick.

The magnetic random access memory according to claim 12,
The direction in which the write current flows is that of the first magnetization of the first ferromagnetic layer and the second magnetization of the second ferromagnetic layer when viewed from a perpendicular direction perpendicular to the top surface of the free ferromagnetic multilayer. Magnetic random access memory that is diagonal to the direction.

The magnetic random access memory according to claim 13,
Said write current flow direction, said when viewed from the vertical direction, the first ferromagnetic layer and the second magnetic random access memory is a direction vertical to the magnetic field to minimize the coercive force of the ferromagnetic layer.

Forming an MTJ element;
Forming a conductive layer on the top surface of the MTJ element;
A portion of the conductive layer that is above the MTJ element is selectively oxidized to form a non-oxidized first wiring, a non-oxidized second wiring, the first wiring, and the second wiring. A step of forming an oxidized region that is interposed between the wiring and the oxidized region,
The MTJ element is
A fixed ferromagnetic layer having a fixed magnetization, and
A free ferromagnetic laminate,
A tunnel barrier layer interposed between the fixed ferromagnetic layer and the free ferromagnetic laminate,
The free ferromagnetic laminate is
A first ferromagnetic layer provided in junction with the tunnel barrier layer and having a reversible first magnetization;
A second ferromagnetic layer that is reversible and has a second magnetization facing away from the first magnetization;
A nonmagnetic conductive layer sandwiched between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer and having a sheet resistance lower than that of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer;
A method of manufacturing a magnetic random access memory, wherein a film thickness of at least one of the first wiring and the second wiring is larger than a film thickness of the nonmagnetic conductive layer.